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幾十年以來，中國鋼鐵工業(yè)通過四次重大技術變革，將工序能耗降低至2021年的550.43千克標準煤。制造單元中各工序成本和產品質量不斷優(yōu)化，市場競爭能力不斷增強。這背后，是眾多科研設計類企業(yè)和生產單位始終堅持“高質量發(fā)展”理念，通過不斷創(chuàng)新，以新技術、新產品、新工藝賦能鋼鐵生產，進而支撐鋼鐵企業(yè)提高產品質量，提高生產效率，降低生產成本，降低安全環(huán)保壓力，釋放人力資源活力。中冶南方作為冶金建設排頭兵，始終聚焦鋼鐵主責主業(yè)，先后建成多個海內外典型鋼鐵重大工程，包括世界最大高爐、最大轉爐、最高效無頭軋制產線、最高端硅鋼冷軋產線等。這些眾多之最，是中冶南方深耕鋼鐵領域的最好印證。這背后，是中冶南方人對冶金工藝過程、核心工藝裝備的不斷挖掘，將工藝理念不斷融入鋼鐵工程，將中國鋼鐵工業(yè)不斷推向世界領先地位的一次次實踐。

 

鋼鐵作為最復雜的流程性工業(yè)，其內在變化多種多樣。工藝理念是鋼鐵生產的基礎，而以工藝理念為出發(fā)點的工藝模型更是重中之重。依托工藝模型，中冶南方實現(xiàn)了從“引進、消化、吸收、再創(chuàng)新”后的一次次跨越，晉南鋼鐵1860m3高爐容積利用系數(shù)達到3.8t/（m3·d），轉爐副槍動態(tài)冶煉過程雙命中率超90%；三明鋼鐵160mm×160mm小方坯連鑄機，澆鑄速度達到6.02m/min；新余鋼鐵小六輥軋機3μm厚控精度長期穩(wěn)定在99%以上。近年來，中冶南方更是聚焦鋼鐵“綠色、低碳、智能、高效”發(fā)展理念，將工藝理念和工藝模型深入到鋼鐵生產各個環(huán)節(jié)，完整開發(fā)并投用了包括從原料場到冷軋的全流程全系列工藝模型，推動了鋼鐵工業(yè)技術進步，也進一步賦能所服務鋼鐵企業(yè)的高質量發(fā)展。

 

01

 

工藝理念

 

鋼鐵生產工序多，工藝流程復雜，不同產線間流轉靈活性高，匹配調節(jié)難度較大，也很難通過統(tǒng)一的概念來定義各生產工藝單元，但各工序本身對“綠色、低碳、智能和高效”的需求是一致的。冶煉工序更多聚焦在以流程周轉為基礎的合理和高效，軋鋼工序更多聚焦在以產品評價為基礎的穩(wěn)定和高質。

 

在這樣的基礎上，中冶南方以面向流程和面向產品的兩種工藝理念為出發(fā)點，開啟了全流程工藝創(chuàng)新之路，并通過各工序中一個個工藝模型的投用，促成鋼鐵生產的綠色、低碳、智能和高效。

 

02

 

原料有序流轉

 

原料場為鋼鐵企業(yè)散裝料儲存處理和廠內物流集散的中心，承擔了企業(yè)大宗散裝物料的儲運管理任務。工藝線條多變、工序界面復雜、對物料的有序流轉要求高。因此，為實現(xiàn)原料場機具安全可靠、物料準確可達、作業(yè)合理高效，中冶南方在運行調度、視覺分析、設備執(zhí)行三個層面上，開發(fā)并投用原料流轉模型。

 

運行調度層中，依據(jù)企業(yè)管理計劃和底層PLC設備運行狀態(tài)，能夠實現(xiàn)對原料場的實時調度，包括場地分配管理、預配料管理和自動加倉調度。場地分配采用靜態(tài)分配堆位的模式，避免斷料事故，保證設備的均衡工作，并最大程度上避免空間限制困擾，提高了場地利用率和原料場吞吐量。預配料管理能夠將料場多種原料通過混配來滿足后續(xù)燒結、焦化、石灰和高爐工藝的生產需求，進一步提高混勻料成分的準確和穩(wěn)定。自動加倉調度以機車路徑尋優(yōu)為出發(fā)點，全時域自動調配車輛工作任務，極大提升了料場運行和周轉效率，設備運行調度可實現(xiàn)零空置，為工序降本增效提供可靠支撐。

 

視覺分析層中，依據(jù)激光點云和視覺表征方式重構料場，使能夠實現(xiàn)三維實時建模、料場取料調度、機具無人定位和狀態(tài)診斷分析。激光點云三維實時建模依托激光TOF技術，利用多重空間變量轉置，將走行、俯仰、旋轉方式獲得的信息統(tǒng)一在一個空間，重構料場的實時變化，重現(xiàn)精度可達±0.1m。料場取料調度以點云相切為原則，合理調配就近車輛進行高質量供配作業(yè)。機具無人定位通過對空間點云數(shù)據(jù)實時和預設分析，以路徑最優(yōu)為原則，提前調度車輛進入作業(yè)狀態(tài)。狀態(tài)診斷分析是依托多重光學交叉成像的方式，對設備狀態(tài)如皮帶料流、料堵、料偏、異物等進行分析預警，強化作業(yè)安全，其中，最核心的堵料預判準確率大于95%，料流檢測分析準確率大于98%。

 

設備執(zhí)行層中，依據(jù)分布在料場的各檢測元件和料場任務作業(yè)中心系統(tǒng)的統(tǒng)一調度，實現(xiàn)料線尋優(yōu)和主動避障。料線尋優(yōu)是依據(jù)各任務單，對料場皮帶機作業(yè)進行主動尋優(yōu)，以使物料作業(yè)流暢、效率提升，主動作業(yè)命中率可達99%以上。主動避障是基于設備三維運動空間和動作方式，在任務下達后，以機具無人定位為依托，在虛擬平臺上進行安全避障，保證設備安全，設備運行至今維持在零事故狀態(tài)。此外還有不同類型車輛的分層、平推、單點作業(yè)模型，均已投入使用。除此之外，中冶南方還在積極研究更高效合理的料場虛構和管控的孿生作業(yè)方式，為未來料場向更高效、更合理、更有序的作業(yè)提供支撐。

 

03

 

高爐穩(wěn)定冶煉

 

高爐是鋼鐵企業(yè)中最重要的生產單元之一。礦石和焦炭在密閉空間內經(jīng)歷著連續(xù)而復雜的熱交換過程和物理化學變化，產出為高溫鐵水。爐內物料組成復雜、熱負荷狀態(tài)多變、冶煉過程相互影響，較難長期維持在一個較高的運行水平。也因此，為實現(xiàn)高爐生產的穩(wěn)定順行，中冶南方在爐料、氣流、熱狀態(tài)、爐型、爐缸、平衡分析等方面進行多點開發(fā)，先后投用一系列高爐穩(wěn)定冶煉工藝模型，進一步提升中冶南方高爐長壽特性。

 

爐料管控以其在爐內分布狀態(tài)為評估手段，在布料、跟蹤、軟熔特性、出鐵方面進行工藝表征，為高爐進行提前工藝調劑提供重要支撐，以保證高爐穩(wěn)定順行。布料評價以料面形狀為出發(fā)點，結合雷達線掃描方式提高準確度，并進一步分析徑向O/C分布，以實現(xiàn)料面上部調劑，輔助調劑實現(xiàn)率不低于95%；跟蹤評價以料批為基礎，在爐內過程中實時準確表征位置和形狀特征，并核實鐵量和動態(tài)燃料比等信息，動態(tài)評價爐料狀態(tài)；軟熔特性評價以質能平衡為基礎，在迭代求解過程中實時表征當前軟熔位置和形狀分布，并內置不同工況下的評價特征，為氣流分析和爐況判斷及調整提供依據(jù)；出鐵評價重在表征爐缸渣鐵信息，以實現(xiàn)出渣出鐵可評可控，輔助出鐵作業(yè)率不低于90%。

 

氣流管控通過對爐內區(qū)域進行劃分，跟蹤評價風口、爐身、爐頂氣流狀態(tài)和趨勢，以可量化方式實現(xiàn)對爐況的實時調劑，實現(xiàn)氣流高效利用。風口氣流評價以圖像波動為出發(fā)點，動態(tài)跟蹤風口實時狀態(tài)和設備狀態(tài)，在準確特征提取基礎上，結合工藝規(guī)則驅動鼓風操作變化；爐身氣流評價以軟熔分析和爐身靜壓力為依據(jù)，準確提取內部氣流狀態(tài)，為上、下部調劑提供參考；爐頂氣流評價以探尺和十字測溫等實際參數(shù)為出發(fā)點，在獲得氣流分布和強弱特征的基礎上，調劑布料操作，輔助調劑實現(xiàn)率不低于95%。

 

熱狀態(tài)管控以高爐下部區(qū)域為主要考察對象，以爐料指數(shù)和實時檢測數(shù)據(jù)為依托，對爐內活性指數(shù)進行評價，以實現(xiàn)熔煉過程高效可控。爐缸熱評價以爐缸活躍性指數(shù)、死料柱潔凈指數(shù)和爐渣粘度等參數(shù)為依據(jù)，評價區(qū)域活性狀態(tài)，以獲得更高效的熔煉過程；爐溫評價以爐熱狀態(tài)指數(shù)為基礎，以模糊推理方式進行仿真，使能夠提前預判爐溫趨勢，為獲得最佳燃料比提供基礎。目前，爐溫預報準確率超過85%。

 

爐型管控以爐身為主要考量對象，通過溫度參數(shù)反饋，識別渣皮和結瘤等生產狀態(tài)，實現(xiàn)對爐型狀態(tài)的實時評價，進而調整布料和鼓風等工藝參數(shù)，助力高爐生產穩(wěn)定高效。爐缸侵蝕管控以爐缸為主要考量對象，也通過溫度參數(shù)反饋，識別侵蝕狀態(tài)和趨勢，進而對物料組成和風口鼓風進行調整，助力高爐生產安全可控。

 

平衡管控以高爐整體過程為考量對象，通過物熱平衡分析，在Rist平衡的基礎上，指導高爐操作，為高效低耗生產提供可辨依據(jù)。除此之外，中冶南方還在積極探索低碳生產要求下工藝過程的變化及控制方式的調整，以實現(xiàn)為低碳高爐生產提供有力支撐。

 

04

 

工藝理念

 

轉爐是通過吹煉獲得合格鋼水的重要生產單元之一。鐵水和氧氣在爐內進行高效反應，脫除多余碳、磷和其他有害夾雜物。由于轉爐煉鋼的危險性和復雜性，很難通過直接測量評價爐內狀態(tài)，也較難實現(xiàn)轉爐煉鋼的自動化調整和生產。因此，以工藝機理和數(shù)據(jù)自學習為基礎，在副槍系統(tǒng)上開發(fā)并投用的轉爐自動煉鋼模型，能夠對爐內狀態(tài)進行預測，并精準調控生產過程。

 

基于副槍在不傾爐和不中斷吹煉工況下，能夠實現(xiàn)自動測量和取樣，進而開發(fā)出靜態(tài)和動態(tài)兩個評價系統(tǒng)。靜態(tài)評價以工藝機理和工藝目標為出發(fā)點，在熔劑、冷卻劑和供氧上指導操作，以實現(xiàn)生產過程的高效化。通過自學習設定，快速迭代和自我進化，實現(xiàn)對原料條件、轉爐工況和冶煉目標等正常波動下的主動適應。動態(tài)評價以時域為出發(fā)點，對冷卻劑和供氧做二次修正，以此確保目標命中率。為應對冶煉工況條件的波動，在大數(shù)據(jù)分析的基礎上設定自學習算法，動態(tài)調整管控參數(shù)優(yōu)化和更新。目前，動態(tài)模型的雙命中率超過92%。除此之外，中冶南方還在努力探索多工藝操作模式，并通過輔助煙氣判定系統(tǒng)，來實現(xiàn)更高的雙命中率，為轉爐高效生產提供有力支撐。

 

05

 

熱軋精準操控

 

熱軋是在高溫狀態(tài)下將鑄坯軋制成所需要求的重要工藝。在此過程中，鑄坯連續(xù)通過各道次軋制和冷卻區(qū)間冷卻獲得最終產品。熱軋過程生產節(jié)奏快、壓下量大，在高速狀態(tài)下，性能指標的連續(xù)可控與生產工藝密切相關，為實現(xiàn)產品性能指標的精準可控，中冶南方在控軋、控冷工藝方面進行開發(fā)，先后投用了一系列精準高效工藝模型，提升熱軋產品質量。

 

棒材溫控系統(tǒng)以軋制過程溫度變化為切入點，評價不同工藝條件下，冷卻方式對產品溫度的影響，以實時跟蹤為反饋，動態(tài)調整區(qū)間溫度分布，為軋制工藝的調整提供準確依據(jù)。實際運行中，溫度預報準確率超過85%，可實現(xiàn)精準預測不同工藝布置和不同冷卻條件下的軋制全過程溫度狀態(tài)，為工藝的調整優(yōu)化和設備的高效運行提供重要支撐。中冶南方還在拓展溫控和組織調控之間的內在關系。

 

板帶生產管控系統(tǒng)以軋制理論和規(guī)程為出發(fā)點，對溫度和力學性能進行表征，以評價和反饋并實時調整軋制工藝過程。系統(tǒng)以軋制力能參數(shù)、軋制規(guī)程、軋輥溫度、軋件溫度、初始輥型、輥系彈性變形及軋輥磨損為評價方向，以實現(xiàn)精準操控生產模式。軋制力能評價是以輥縫變形區(qū)的應力分布和變形軋輥輪廓為擬合依據(jù)，在迭代回歸的基礎上校核軋輥及機架等主要零部件強度、選擇電機容量和電機負荷，以進一步優(yōu)化機組性能。軋制規(guī)程是以目標尋優(yōu)為基礎，調控壓下分配、速度制度等關鍵參數(shù)，為精準控制板帶厚度和板型提供依據(jù)，以提高軋機生產效率，降低能源消耗。軋輥溫度評價以工藝實績?yōu)橐劳�，在有效傳熱條件支撐下，實現(xiàn)軋輥冷卻工藝參數(shù)設定，并反饋板型控制系統(tǒng)中的軋輥熱凸度變化，以進一步提高控制精度。軋件溫度評價與軋輥評價類似，可實現(xiàn)生產過程中溫度場三維實時再現(xiàn)，并可精確調整層流冷卻噴射集管的冷卻水水量，以實現(xiàn)對微觀組織與性能的預測。初始輥型評價通過對輥型曲線的分析，利用優(yōu)化算法分析輥型參數(shù)，為板形控制提供高適應性的初始輥型曲線。輥系彈性變形評價是基于軋件塑性變形和軋輥彈性變形耦合迭代，以輥縫的橫向分布為最終指標，來評估板型優(yōu)劣并設定彎輥力和竄輥量。軋輥磨損評價基于自適用、自學習方式，精確預測工作輥及支撐輥的磨損量分布，以提高板形控制精度。除此之外，中冶南方還在積極探索型鋼軋制和無頭軋制工藝操作模式，并通過CAE仿真及工藝生產實績反饋，來實現(xiàn)更精準操控，并為確保穩(wěn)定的產品質量提供有力支撐。

 

06

 

冷軋高質調控

 

冷軋是在再結晶溫度以下將熱軋板軋制成所需要求的重要工藝之一。熱軋板在冷軋線上連續(xù)通過各道次處理工序，逐步消除加工硬化，并實現(xiàn)成分控制精準和板型控制合理的最終產品。冷軋過程生產多樣、節(jié)奏較快，在復雜的工藝操作下，對產品成分和板型等參數(shù)的要求較高。為確保產品高質穩(wěn)定，中冶南方在板形、成分和質量管控上，先后投用系列生產工藝模型，提升了冷軋產品的質量。

 

軋制管控以工藝操作為出發(fā)點，在軋制力、壓下分配、輥系彈性變形和板形自適應上進行不斷優(yōu)化，逐步提高整個控制系統(tǒng)的適應性和控制能力。軋制力評價以軋輥彈性壓扁為出發(fā)點，在整個變形區(qū)分段收斂，保證軋制的可靠和輸出的高精度。壓下分配評價以軋制力均衡或功率均衡為目標，采用dfr/dh效率系數(shù)進行極速修正，實現(xiàn)了在線實時運行。輥系彈性變形評價直接基于軋輥撓曲積分，采用分層輥系協(xié)調變形方式，利用輥間中心點處壓扁和輥間壓扁區(qū)傾斜兩個迭代調節(jié)量，進一步提高板形控制精度。板形自適應評價根據(jù)二級系統(tǒng)提供軋制力與板形執(zhí)行機構效率關系，實時反饋各執(zhí)行機構調節(jié)量，閉環(huán)操作，以提高板形穩(wěn)定性，減少斷帶可能，提高板形控制系統(tǒng)的適應性。借助生產實績反饋不斷優(yōu)化管控精度，為基礎自動化控制提供更加精確的設定值、更有針對性的增益系數(shù)和效率系數(shù)，大幅提高控制系統(tǒng)的適應性，改善帶鋼產品的控制精度，并提高冷軋機的生產效率。目前，可實現(xiàn)小六輥軋機3μm厚控精度長期穩(wěn)定在99%以上。

 

處理線管控以成分調控為出發(fā)點，主要針對脫碳和滲氮工藝，以提高成分命中率和產品成材率。脫碳評價以脫碳反應及Fick第二定律為基礎，對脫碳工藝參數(shù)進行表征，系統(tǒng)精度不低于95%，明顯提升產品原牌號命中率和成材率。滲氮評價以滲氮過程熱力學和動力學為基礎，對影響滲氮的各因素進行耦合評價，系統(tǒng)精度不低于95%，較大程度提升產品的質量和成材率。

 

借助處理線管控，可實現(xiàn)脫碳和滲氮工藝參數(shù)的精準調節(jié)，較大幅度改善成品質量，實現(xiàn)產品性能的穩(wěn)定可靠。

 

產品質量評價系統(tǒng)以工藝機理和大數(shù)據(jù)結合為出發(fā)點，對自煉鋼到冷軋工序近百種參數(shù)進行考量，在關聯(lián)度表征過程中，以最接近實績方式對產品性能進行預報和判級。同時，在前工序工藝參數(shù)發(fā)生偏離的情況下，反饋后工序工藝參數(shù)的調整，提高產品原牌號命中率和成材率，并在保證產品質量的前提下，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，以降低產品的噸鋼能耗。目前，已實現(xiàn)對產品鐵損性能預報和工藝制度自調整，并使鐵損降低1%。