高爐爐前數字化生產管理系統的優勢

供稿|王敏，任榮霞 / WANG Min, REN Rong-xia

內容導讀

高爐爐前工作環境是高爐生產最重要的場所，也是高爐生產勞動強度最大的場所，爐前工作需要完成出渣、出鐵操作、控制鐵水罐的鐵水裝入量，完成鐵溝耐材的管理、修砌，并負責與爐內操作人員完成必要的通信聯絡，文章通過對爐前生產管理各個環節深入研究，通過增加靜態電子軌道衡、鐵水罐紅外熱像儀、鐵水罐號自動識別儀器等措施，建立了數字化生產管理系統，對提高高爐爐前生產效率，提高數據統計的準確性，降低爐前操作人員勞動強度，提升管理的自動化水平，具有非常重要的意義。

鋼鐵廠是典型的流程制造業，而高爐生產是鋼鐵廠的重要生產環節。隨著大型高爐的發展，近年來，通過煉鐵工作者的不懈努力，中國在大型高爐生產管理和操控技術等方面取得了突出的成績和效果，并且專家系統已在冶金工業生產中獲得十分普遍的應用。但是，目前高爐專家系統的應用多集中于高爐爐內生產的管理，對高爐爐前生產管理的自動化、數字化則重視不夠，作者根據多年從事煉鐵工藝設計的經驗，設計了高爐爐前數字化生產管理系統，為煉鐵生產的進一步智能化提供數據支撐。

高爐爐前生產特點以及存在的問題

高爐爐前生產特點

大型高爐爐前具有生產節奏快、物流量大、環境溫度高、生產設備多、勞動強度大等特點，高爐爐前需要完成每天12～15次出鐵、出渣的工作，出鐵操作要求鐵水罐車在出鐵場擺動鐵溝下面準確對位，爐前工人需要在出鐵前觀察鐵水罐內部耐材侵蝕情況，以判斷鐵水罐是否可以安全裝入鐵水，出鐵過程需要人工觀察罐內鐵水液位變化情況，控制鐵水裝入量，鐵水罐即將裝滿時需要操作人員及時操作擺動鐵溝，切換到另一側的鐵水罐繼續出鐵，因此爐前工人安全生產責任重大。爐前還要完成鐵渣溝耐材的維護、更換工作，勞動強度大。

目前生產模式存在的問題

目前國內的爐前生產管理模式存在的問題：

(1) 爐內和爐前基本上只能依靠人工通訊完成信息傳遞，爐內操作人員對爐前生產情況、出鐵情況等信息了解不全面、不及時，爐內操作員了解出鐵情況的方法是在出鐵時到出鐵場直接進行觀察，鐵水流動狀況需要憑借經驗進行判斷，未到爐前的爐內其他人員則不能及時掌握出鐵情況，每次出鐵量的統計需要由高爐—轉爐區段間的動態電子軌道衡計量后反饋回來，時效性差；

(2) 爐前工人對鐵水罐的使用和管理也基本依靠人工操作模式，手段單一、安全性低；

(3) 爐前工人對鐵水溝耐材的使用壽命(通鐵量)統計基本依靠人工計算完成，準確性、及時性差；

(4) 鐵水罐鐵水裝入量基本依靠爐前工人通過“人眼”觀察控制，準確性差。

多年來高爐爐前生產一直處于傳統生產管理模式，自動化程度低、工人勞動強度高、效率低、準確性和安全性差、人工成本高，與現代鋼鐵企業對生產管理的標準要求不相匹配，切實提高高爐爐前生產管理的自動化程度，提高勞動效率，加強安全生產是當前爐前生產的迫切需求。

高爐爐前數字化生產管理系統

大型高爐通常具有3～4個出鐵場，采用擺動鐵溝出鐵方式，鐵水采用鐵水罐車運輸，目前多采用“一罐到底”的方式進入轉爐車間并兌入轉爐，“一罐到底”的方式具有布置緊湊、物流簡捷、鐵水周轉快、鐵水溫降小及粉塵排放少等優勢[1]，這是目前鐵鋼界面組織鐵水運輸的常規模式。在此基礎上，為了提高高爐爐前生產管理的自動化程度，增設爐前生產管理設備及檢測儀器：

(1) 在鐵水罐接鐵水位置處的鐵路線下方設置靜態電子軌道衡，準確測量鐵水罐空罐重量以及裝入鐵水的實時重量，方便爐前操作人員準確控制鐵水罐的鐵水裝入量，并配置了雷達液面測量裝置，保證鐵水罐裝載容量滿足煉鋼要求[2]；

(2) 在出鐵場下設置鐵水罐號識別系統以及鐵水罐車定位系統，準確識別進入出鐵場的每個鐵水罐的編號，并準確控制鐵水罐車在爐下接受鐵水的位置；

(3) 配備鐵水罐內襯溫度紅外測溫儀，用于檢測記錄周轉回來的鐵水罐的空罐溫度；

(4) 在出鐵場下方鐵路線沿線配置紅外熱像儀，對進出爐下的鐵水罐外表面進行紅外測溫及成像，利用紅外熱像儀圖像生成檢測報告，以此為依據判斷鐵水罐耐材侵蝕情況。

靜態電子軌道衡是比較難于安裝的設備。對于已經建成的大型高爐，由于大型高爐通常有3～4個鐵口，日常生產時只有2個鐵口交替工作，其余1～2個鐵口和對應的擺動鐵溝處于檢修和備用狀態，因此可以在不影響生產的前提下，先行在備用鐵口對應的出鐵場下的鐵路線上安裝電子靜態軌道衡等相應檢測儀表設備，然后依次在其他鐵口和爐前設備上再配置相應設備和檢測儀表。對于只有兩個鐵口的高爐，可以組織在一段時間內，利用單鐵口出鐵的時間，在另一個鐵口對應的鐵路線上安裝無基坑不斷軌靜態電子軌道衡，盡可能減少對高爐生產的影響。

鐵水罐號識別儀器、鐵水罐車定位儀器、紅外熱像儀、雷達液面測量裝置等其他儀表的安裝均很簡單，不會影響高爐正常生產。鐵水罐號識別儀器和紅外熱像儀可以安裝在出鐵場下方鐵路線兩側的柱子上，安裝和使用均很方便，不影響高爐的生產，可以在線安裝。鐵水罐在進、出爐下時，可以自動對鐵水罐進行罐號識別并自動拍照成像，將相關信息自動傳送到自動化系統中。上述設備和檢測儀器安裝完畢后，配合擺動鐵溝以及爐前已有的鐵水溫度檢測儀表，通過將這些新增的檢測設備的輸出數據與原有檢測數據進行整合，可以形成一套爐前生產數字化管理系統，實現高爐爐前生產管理的數字化、自動化。

自動化管理功能

強化高爐生產管理

生產中，高爐的每個鐵口都有編號，相對應的每個擺動鐵溝都有編號，每個擺動鐵溝下面的靜態電子軌道衡也都有編號，擺動鐵溝和靜態電子軌道衡在工作狀態時都可以輸出信息進入管理系統，可以使爐內操作人員準確了解處于工作狀態的鐵口編號、對應的擺動鐵溝編號、對應的鐵路線靜態電子軌道衡編號，以及鐵水罐的鐵水裝入量的實時變化，通過這些信息可以在電腦屏幕上制作出模擬畫面，動態描述出鐵過程，將鐵水罐內鐵水重量的動態變化信號轉化為鐵水液位信號，使爐內人員更直觀、生動地了解出鐵信息。鐵水罐車定位系統可以協助機車將鐵水罐車停在靜態電子軌道衡上的準確位置，實現在靜態電子軌道衡的精確稱量區間內進行稱量，使鐵水的稱量精度不受影響，同時，還可以保證鐵水罐車在擺動鐵溝下面沿著罐車行進方向準確對位，使擺動鐵溝內鐵水安全流入鐵水罐，減少反復調動機車的操作，既節省了時間，又保證了安全。改造前，高爐每次出鐵量的信息通常是由設置在高爐—轉爐區段間的動態電子軌道衡進行稱量結算，然后將信息返回到高爐車間，這存在相當長時間的滯后性，特別是多高爐的生產組織，當出現不同高爐鐵水罐需要混合編組去往轉爐車間時，因為需要區分不同的高爐鐵水產量，增加了信息傳遞的復雜性。而數字化系統的建立可以使爐內操作人員第一時間了解每次出鐵出了幾罐鐵水、每次出鐵量、每個罐的裝入量、出鐵過程中出鐵速率的變化情況，便于分析掌握出鐵對爐況的影響以及確定開、堵鐵口的時機，同時，可以自動化生成爐前出鐵過程數據管理表格，為高爐專家系統提供強有力的數據支撐。

快捷實現對鐵水罐的管理

鐵水罐是鋼鐵冶金企業運輸鐵水的重要工具，鐵水罐具有一定的生命周期[3]。傳統方式需要人工對鐵水罐的使用次數進行計數，以使用次數作為鐵水罐使用壽命長短的衡量。鐵水罐內襯的傳統檢查方法是工人通過“人眼”觀察鐵水罐內部，并通過手持測溫儀檢測鐵水罐外表殼體溫度，兩者相結合來判斷鐵水罐耐材侵蝕情況。上述方式具有及時性差、準確性差、勞動強度大的缺點。而鐵水靜態電子軌道衡和罐號識別儀器的使用，配合紅外測溫儀、紅外熱像儀檢測鐵水罐空罐內襯溫度、鐵水罐外表殼體溫度，可以自動地精確統計鐵水罐在一個生命周期內的使用次數、每次裝入鐵水量、總計裝鐵水量等信息。也可以自動統計單個鐵水罐一天內以及生命周期內在單座高爐、多座高爐間的周轉次數、周轉周期、周轉期間的罐溫變化，為優化鐵水罐周轉時間和周轉數量提供數據支撐，優化鐵水的組織調度、改善鐵水罐運行周期，是縮短運輸或等待時間的有效手段。提高鐵水罐利用率，對鋼鐵企業節能減排，改善技術經濟指標和降低生產成本具有重要意義。鐵水罐紅外熱像儀的使用，通過生成的鐵水罐溫度場圖像，自動分析形成檢測報告，及時掌握鐵水罐耐材侵蝕變化情況，可以總結出鐵水罐在使用過程中耐材侵蝕變化的規律，耐材侵蝕薄弱部位的分布規律，有針對性的采取維修措施，有針對性的完善鐵水罐耐材的設計、砌筑，保障鐵水罐的安全運轉，也可以進一步提高鐵水罐耐材的使用壽命，降低生產成本。綜合上述檢測數據，可以自動生成鐵水罐數據管理表格。

提高鐵水溝耐材管理的效率及準確性

高爐出鐵場鐵水主溝耐材維護通常以一個生命周期內的通鐵水量作為衡量耐材設計、耐材質量，以及砌筑質量的依據，主溝及渣鐵溝的通鐵量能達到14～20萬t[4]。現行統計辦法是爐前操作人員根據耐材使用周期人工計算通鐵量。大型高爐一般3～4條鐵溝，生產時主鐵溝交替出鐵，因此給單條主鐵溝的耐材通鐵量計算帶來了困難，需要人工進行區分并分別統計，計算量也比較大，容易出現計算錯誤。如果幾條鐵水溝在出鐵過程中的交替有不規則性，工作人員很難及時跟進統計，這就給最終統計單條鐵水溝通鐵量的準確性、及時性帶來了很大困難，不能準確評價鐵溝耐材質量。擺動鐵溝和鐵水罐靜態電子軌道衡的配合使用解決了上述問題，可以準確計算每條鐵水溝的每次通鐵量、生命周期內的通鐵次數、累計通鐵量。當鐵水溝需要進行中期修補時，中期修補的通鐵量、時間等信息也方便查詢。統計的自動化程度高、及時性強、準確性高，能夠準確建立對鐵水溝耐材的評價體系，可以自動生成鐵水溝耐材數據管理表格。

“一罐到底”工藝的有力支撐

近年來一種新型的鐵鋼界面生產組織模式“一罐到底”模式日益得到企業的認可，并在多家企業得到應用。在“一罐到底”生產模式中，高爐爐前擺動溜槽是爐前鐵水裝入鐵水罐的重要設備，其工作效率的高低和自動化系統的優劣直接影響到鐵水出鐵效率[5]。鐵水罐鐵水裝入量通常由爐前工人通過“人眼”觀察，并操控擺動鐵溝來控制鐵水罐內最終液面高度，但人工方式通過控制液面高度來實現控制鐵水裝入量的方法誤差大，并且隨著鐵水罐耐材的侵蝕，相同的液面高度，鐵水裝入量也會存在較大差異。因此，人工方式執行“一罐到底”操作模式時，轉爐內鐵水裝入量難以準確控制，不能滿足對鐵水裝入量要求嚴格的轉爐煉鋼工藝。擺動鐵溝下方設計靜態電子軌道衡，出鐵時鐵水罐的鐵水裝入量實時顯示在出鐵場上的顯示屏幕上，在即將達到目標噸位的時候，可以通過報警的方式提醒爐前工人及時操作擺動鐵溝，將鐵水裝入量的波動控制在允許的波動范圍內，實現了鐵水裝入量的精確性控制，發揮了“一罐到底”操作模式的優勢。

結束語

擺動鐵溝、靜態電子軌道衡、鐵水罐罐號識別裝置、紅外熱像儀均為目前在鋼鐵冶金行業使用成熟的工藝設備和檢測儀器，能夠保證高爐爐前數字化生產管理系統的運行。對于新建高爐，在進行設計時，可以同步配套設計高爐爐前數字化生產管理系統。高爐爐前數字化生產管理系統的建立，可以極大提高高爐爐前生產管理的及時性、準確性、安全性，降低生產成本、管理成本，建立豐富的數據庫系統，全面改變傳統的爐前操作以人工模式為主的方式，降低爐前操作人員的勞動強度，實現自動化、數字化管理，大幅提升高爐爐前生產管理的現代化程度，為進一步的爐前智能化生產管理打好基礎，在高爐生產應用中具有較高的推廣價值。