智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用探究

劉鵬

[摘 ? ?要 ]金屬冶煉是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的代表，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)不容忽視的地位。近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)以及數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，這些技術(shù)在傳統(tǒng)金屬冶煉行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，推動(dòng)金屬冶煉向著越來(lái)越自動(dòng)化智能化的方向發(fā)展。本文圍繞智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用議題進(jìn)行了探討，首先概述了金屬冶煉工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，然后論述了智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用及應(yīng)用效果，最后展望了智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，供相關(guān)人士參考。

[關(guān)鍵詞]金屬冶煉;自動(dòng)化;智能技術(shù)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TF30 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]Metal smelting is the representative of traditional industry， which plays an important role in national economy. In recent years， with the rapid development of Internet technology， information technology and data technology， the application of these technologies in traditional metal smelting industry is more and more common， which promotes the development of metal smelting towards the direction of more and more automation and intelligence. This paper discusses the application of intelligent automation in metal smelting. Firstly， the paper summarizes the development of automation technology in metal smelting industry， and then discusses the application and application effect of intelligent automation in metal smelting. Finally， it looks forward to the application and development trend of intelligent automation in metal smelting for reference.

[Keywords]metal smelting; automation; intelligent technology

自動(dòng)化技術(shù)和人工智能技術(shù)在信息技術(shù)的支持下得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。從實(shí)際的需求看，金屬冶煉對(duì)溫度等參數(shù)的控制十分嚴(yán)格，而智能自動(dòng)化調(diào)節(jié)方式能夠很好地減少人為判斷和操作誤差，從而更好地優(yōu)化控制冶金生產(chǎn)參數(shù)，不僅提高冶金生產(chǎn)效率，而且能夠降低成本。金屬冶煉行業(yè)在科技的引擎動(dòng)力下正在邁入智能化發(fā)展階段，為冶金企業(yè)提質(zhì)增效，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)奠定了強(qiáng)大的技術(shù)條件。

1 金屬冶煉工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

金屬冶煉工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)最初源自于國(guó)外，自上個(gè)世紀(jì)中期，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)金屬冶煉自動(dòng)化技術(shù)。截止到目前，我國(guó)冶金產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的覆蓋率已經(jīng)超過(guò)60 %。從冶煉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展水平看，自動(dòng)化設(shè)備的核心技術(shù)仍舊掌握在別的國(guó)家手里，我國(guó)在金屬冶煉工業(yè)自動(dòng)化的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)量較少，整體科技創(chuàng)新水平與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家仍舊存在一定的差距。金屬冶煉工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用經(jīng)歷了從基礎(chǔ)自動(dòng)化到過(guò)程自動(dòng)化，最終到管理自動(dòng)化的階段。目前，金屬冶煉工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)基本覆蓋了金屬冶煉的整個(gè)生產(chǎn)流程，即從信息采集到信息分析，最終形成指令執(zhí)行。

2 智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用

2.1 利用智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)爐溫進(jìn)行調(diào)控

爐溫是影響金屬冶煉品質(zhì)的重要因素。傳統(tǒng)的控溫方式是人工觀測(cè)爐溫。而智能自動(dòng)化控溫是對(duì)爐缸內(nèi)熱流強(qiáng)度和冷卻水的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)檢測(cè)爐缸溫度和冷卻壁溫度實(shí)現(xiàn)二者配合，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的控溫效果。實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理如下：冷卻水流速為v，水溫差為T(mén)，水比熱容為c，冷卻壁面積為S。則金屬熱流強(qiáng)度J的計(jì)算公式如下：

J=（v×T×c×1000）/S

假設(shè)冶煉天數(shù)為D，高爐容積為V，則每立方米冶煉爐的金屬冶煉強(qiáng)度I的計(jì)算公式如下：

I=（J·T）/（D·V）

爐溫冷卻參數(shù)的調(diào)控應(yīng)根據(jù)金屬冶煉強(qiáng)度進(jìn)行，需要在最佳金屬冶煉強(qiáng)度時(shí)對(duì)冷卻溫度進(jìn)行調(diào)控。因此需要兩個(gè)條件同時(shí)滿足，得到如下函數(shù)：

公式（1）中的x，y，z…代表函數(shù)參數(shù)，如風(fēng)量、配料、冷卻水流速等參數(shù)。通過(guò)智能自動(dòng)化系統(tǒng)中的軟件可同時(shí)滿足兩個(gè)條件，得到優(yōu)化后的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的科學(xué)調(diào)控。

此外，智能自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制中心實(shí)時(shí)接收生產(chǎn)設(shè)備傳感器的溫度信號(hào)，根據(jù)生產(chǎn)操作間內(nèi)的溫度變化情況進(jìn)行信息處理。由于溫度和熱量具有緊密關(guān)系，因此通常采用的方法是建立設(shè)備開(kāi)啟的控制群函數(shù)和設(shè)備關(guān)閉的控制群函數(shù)。計(jì)算公式如下：

公式（2）中Ot代表t時(shí)間內(nèi)設(shè)備開(kāi)啟的控制群函數(shù);Bt代表t時(shí)間內(nèi)設(shè)備關(guān)閉的控制群函數(shù);n代表控制群系數(shù)。根據(jù)設(shè)備開(kāi)啟和關(guān)閉控制群函數(shù)結(jié)果可計(jì)算出生產(chǎn)過(guò)程需要的總熱量Q。計(jì)算公式如下：

Q=Qs+Qr+Qz+Qs+Qh

公式中，Q代表生產(chǎn)過(guò)程需要的總熱量 ;Qs代表太陽(yáng)輻射熱;Qr代表人體承受的最大熱量;Qz代表設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量;Qs代表設(shè)備從外部得到的熱量;Qh代表操作過(guò)程中損失的熱量。根據(jù)計(jì)算得到的總熱量，控制中心對(duì)供熱管和冷水泵下達(dá)指令，完成溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

通過(guò)智能化技術(shù)的應(yīng)用，不但可以避免設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中浪費(fèi)能耗，而且可以準(zhǔn)確掌控設(shè)備啟停時(shí)間，減少了人為啟停失誤率，減少安全事故發(fā)生。

2.2 利用智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)工藝參數(shù)權(quán)重進(jìn)行調(diào)控

在設(shè)計(jì)到配料等多參數(shù)因素時(shí)，不同參數(shù)權(quán)重大小是調(diào)控的難點(diǎn)。利用智能自動(dòng)化技術(shù)可以更快地找到金屬冶煉影響權(quán)重，實(shí)現(xiàn)冶煉工藝優(yōu)化。如在冶煉過(guò)程中，不同的料速、不同的風(fēng)溫以及不同的透氣性等因素會(huì)影響冶煉質(zhì)量。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以得到最佳權(quán)重。假設(shè)單一的控制指數(shù)分別為FI1，F(xiàn)I2，F(xiàn)I3…，F(xiàn)In，N為每小時(shí)風(fēng)流量，則控制指數(shù)FI為：

將公式（3）用卷積函數(shù)處理，得到爐級(jí)權(quán)重X，其中，Xi代表冶煉過(guò)程中第一個(gè)時(shí)間單位的數(shù)值，Wi代表參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)金屬含量的影響權(quán)重。

例如計(jì)算出風(fēng)量、風(fēng)溫、料速度、透氣性等各參數(shù)控制指數(shù)（如表1所示），然后根據(jù)上式計(jì)算得到金屬冶煉爐級(jí)權(quán)重。

2.3 利用智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)金屬冶煉效益進(jìn)行控制

金屬冶煉效益應(yīng)考慮到金屬點(diǎn)解產(chǎn)量和質(zhì)量，考慮到金屬冶煉成本，盡可能兼顧到冶煉品質(zhì)較高且能耗較低。通過(guò)智能自動(dòng)化技術(shù)可以建立金屬分解用電函數(shù)，得到全天不同時(shí)間段的電流密度J計(jì)算公式如下：

電流密度Dk介于最低電流密度和最高電流密度之間。最低電流密度是造成金屬反溶的電流密度，最高電流密度是金屬電解允許的最大電流密度，該值與供電設(shè)備以及電解容量有關(guān)。

2.4 利用智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)金屬冶煉排放物進(jìn)行控制

金屬冶煉行業(yè)的廢渣廢液必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理，達(dá)標(biāo)后才能排放。通過(guò)智能自動(dòng)化技術(shù)對(duì)冶煉金屬中的有毒物質(zhì)排放進(jìn)行合理控制，避免超標(biāo)排放。對(duì)金屬冶煉沸騰爐設(shè)備進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控，確保煙氣排放指標(biāo)在合規(guī)范圍內(nèi)，有效減少硫氧化物排放量。高濃度的硫氧化物被集中收集并制備成強(qiáng)酸，可作為處理金屬汞的原料。利用強(qiáng)酸和汞反應(yīng)，降低汞濃度，減少有毒重金屬排放。利用智能自動(dòng)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，在完全密封的情況下實(shí)現(xiàn)金屬冶煉排放物控制，避免了工作人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面臨的健康危害，在排放物處理過(guò)程中，參數(shù)調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確。

3 智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用效果

將傳統(tǒng)金屬冶煉和智能自動(dòng)化金屬冶煉的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。智能自動(dòng)化系統(tǒng)中，不同功能下位機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，電爐與控制設(shè)備進(jìn)行連接，軟件系統(tǒng)為WINDOWS控制軟件，CLIENT/SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)及WINCC組態(tài)軟件。采用同批次金屬樣品進(jìn)行冶煉，冶煉工藝和冶煉條件相同。智能自動(dòng)化技術(shù)的一組采用自動(dòng)加料方式，傳統(tǒng)技術(shù)的一組采用人工加料方式。然后對(duì)兩組金屬冶煉成分進(jìn)行測(cè)定，得到如表2結(jié)果。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，智能自動(dòng)化冶煉預(yù)測(cè)誤差和相對(duì)誤差比傳統(tǒng)冶煉方式得到的對(duì)應(yīng)值更小，因此采取智能自動(dòng)化冶煉技術(shù)可以更精準(zhǔn)的對(duì)金屬冶煉參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬冶煉品質(zhì)的嚴(yán)格控制。

4 智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

隨著金屬冶煉工業(yè)信息化技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，在冶金企業(yè)中的應(yīng)用也將更加深入廣泛。隨著智能自動(dòng)化技術(shù)的深度應(yīng)用，金屬冶煉采集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，在大量的數(shù)據(jù)支持下，數(shù)據(jù)資源開(kāi)發(fā)成為智能化冶金發(fā)展的重要趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析，找出數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)特征，對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的完善提供支持。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能自動(dòng)化技術(shù)在金屬冶煉中的應(yīng)用既是理論層面的應(yīng)用，同時(shí)也是實(shí)踐層面的應(yīng)用。結(jié)合當(dāng)前冶金企業(yè)智能自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用實(shí)際狀況，從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，確保資源的投入，加大技術(shù)難題攻克，在解決問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)一步強(qiáng)化基礎(chǔ)理論的研究，形成理論實(shí)踐正向反饋，不斷完善技術(shù)方案和生產(chǎn)管理制度標(biāo)準(zhǔn)。如此，才能推動(dòng)冶金企業(yè)加快走上智能經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路，才能彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)金屬冶煉中智能自動(dòng)化自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的不足，才能推動(dòng)國(guó)內(nèi)金屬冶煉產(chǎn)業(yè)健康蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 李松宇.自動(dòng)化技術(shù)在有色冶金工業(yè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2019（8）：50.

[2] 王彥姣.智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用研究[J].世界有色金屬，2020（12）：68.

[3] 楊文靜.智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的重要應(yīng)用[J].世界有色金屬，2019（21）：8-9.

[4] 金志歡，金鑫，江超，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)在金屬冶煉設(shè)備中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2020，542（2）：44-45.

[5] 王雅琳.智能集成建模理論及其在有色冶煉過(guò)程優(yōu)化控制中的應(yīng)用研究[D].中南大學(xué)，2001.