高爐冶煉專(zhuān)家系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間：2019-12-18 08:51:01

　摘 要：從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始,，專(zhuān)家系統(tǒng)在國(guó)外高爐得到推廣應(yīng)用,。同時(shí)期,，我國(guó)采用多種模式開(kāi)發(fā)與應(yīng)用高爐專(zhuān)家系統(tǒng)，但由于操作理念,、檢測(cè)數(shù)據(jù)、維護(hù)等原因,，國(guó)內(nèi)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果,。在新形勢(shì)下，結(jié)合信息化技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)該向高爐集約化、可視化管理模式發(fā)展,。

 

　　國(guó)外高爐專(zhuān)家系統(tǒng)

　　高爐數(shù)學(xué)模型:

　　在高爐專(zhuān)家系統(tǒng)形成以前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在高爐冶煉過(guò)程中的應(yīng)用是從數(shù)學(xué)模型開(kāi)始的,。***早是20 世紀(jì)50 年代初期的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型,，例如前蘇聯(lián)的拉姆配料計(jì)算模型、美國(guó)內(nèi)陸鋼鐵公司的物料平衡計(jì)算數(shù)學(xué)模型等,。20 世紀(jì)70 年代,，由于石油危機(jī)，降低高爐焦比成為企業(yè)重點(diǎn),，以降低高爐焦比為主要目的數(shù)學(xué)模型相繼被開(kāi)發(fā)與應(yīng)用出來(lái),，如法國(guó)鋼鐵研究院開(kāi)發(fā)的Rist 模型、Wu 模型,，比利時(shí)冶金研究中心開(kāi)發(fā)的Ec 模型,，日本住友公司開(kāi)發(fā)的Ts 模型。

　　20 世紀(jì)80 年代,，日本鋼鐵工業(yè)開(kāi)始崛起,，對(duì)9 座720m3～1420m3 在線生產(chǎn)高爐和4 座實(shí)驗(yàn)小高爐進(jìn)行整體解剖調(diào)查分析，以及對(duì)系統(tǒng)物理模型模擬實(shí)驗(yàn),，了解高爐冶煉過(guò)程中發(fā)生一些現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律,、現(xiàn)象，推進(jìn)高爐數(shù)學(xué)模型快速發(fā)展,，相繼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,、一維和二維數(shù)學(xué)模型，高爐數(shù)學(xué)模型不僅種類(lèi)繁多,，而且覆蓋范圍廣,，具體見(jiàn)表1。

　　20 世紀(jì)90 年代由于“多流體理論”問(wèn)世,，該理論將爐內(nèi)各物質(zhì)分成氣相,、固相、液相和粉相，并被用來(lái)描述高爐下部區(qū)域反應(yīng)的結(jié)構(gòu),。該階段數(shù)學(xué)模型基本上采用CFD-DEM 相結(jié)合開(kāi)發(fā)方法,，數(shù)學(xué)模型從一維模型發(fā)展到二維模型和三維模型。經(jīng)過(guò)20 年發(fā)展,，一些應(yīng)用效果較好的數(shù)學(xué)模型融合到高爐專(zhuān)家系統(tǒng)中,。

　　日本高爐專(zhuān)家系統(tǒng)：

　　日本首先提出開(kāi)發(fā)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)，首先是集成數(shù)學(xué)模型,。1986 年,，該模型***在日本鋼管公司福山高爐應(yīng)用，之后日本大型鋼鐵公司相繼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用不同的高爐專(zhuān)家系統(tǒng),，例如新日鐵大分廠SAFAIA 系統(tǒng)和君津高爐ALIS 系統(tǒng),，用于軟融帶判斷、高爐開(kāi)爐及休風(fēng)恢復(fù)操作指導(dǎo),。京濱高爐專(zhuān)家系統(tǒng)包含無(wú)鐘爐頂布料模型,、裝料制度、煤氣流分布,、爐體溫度場(chǎng),、風(fēng)量、風(fēng)壓,、透氣性等數(shù)學(xué)模型,。日本鋼管福山廠BAISYS 系統(tǒng)，包含爐況檢測(cè)診斷與控制,、異常爐況預(yù)報(bào)與控制,、布料控制和爐溫預(yù)報(bào)等數(shù)學(xué)模型。日本住友金公司HYBRID系統(tǒng),，將數(shù)學(xué)模型和高爐專(zhuān)家規(guī)則相結(jié)合,，用于判斷爐況、計(jì)算爐熱指數(shù)TS,、鐵水[Si]含量與鐵水溫度的預(yù)報(bào)和高爐操作指導(dǎo),。

　　日本川崎GO-STOP 系統(tǒng)由8 種指數(shù)計(jì)算模型構(gòu)成，對(duì)高爐操作因素做定量分析,，將各種因素控制在***佳范圍內(nèi),，使用8 個(gè)指數(shù)檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)和診斷高爐冶煉過(guò)程爐況狀態(tài),，抽取230 個(gè)監(jiān)測(cè)信息用于推理機(jī)推理,，建立600 條專(zhuān)家知識(shí)規(guī)則。日本川崎之后在GO-STOP 基礎(chǔ)上,，又開(kāi)發(fā)與應(yīng)用Advanced GO-STOP,，目前GO-STOP系統(tǒng)已經(jīng)成為各種專(zhuān)家系統(tǒng)的基礎(chǔ),。

　　芬蘭Rautaruuki 高爐專(zhuān)家系統(tǒng)：

　　芬蘭Rautaruuki 高爐專(zhuān)家系統(tǒng)主要由4 個(gè)子系統(tǒng)組成：

　　高爐熱狀態(tài)系統(tǒng)。計(jì)算高爐熱指數(shù),、下料指數(shù),、直接還原度指數(shù)及碳素熔損指數(shù)、煤氣成分指數(shù),、渣皮脫落指數(shù),、透氣性指數(shù)、阻力系數(shù)及Rist 操作線等,，通過(guò)8 個(gè)指數(shù)計(jì)算,，識(shí)別操作參數(shù)對(duì)爐溫影響程度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出操作建議,。

　　高爐操作爐型管理,。計(jì)算冷卻壁熱負(fù)荷、計(jì)算爐體溫度場(chǎng)分布,，監(jiān)控渣皮脫落,、渣皮厚度。

　　高爐爐況診斷,。判斷滑料、管道發(fā)生概率,，計(jì)算爐頂壓力,、爐頂溫度及變化幅度、計(jì)算料速,。對(duì)每班及全天煤氣流分布進(jìn)行評(píng)價(jià),，對(duì)煤氣利用率、總壓差,、局部壓差做短周期,、中周期和長(zhǎng)周期評(píng)價(jià)，分析煤氣利用率變化原因,。

　　高爐爐缸平衡管理,。高爐物料平衡計(jì)算，實(shí)時(shí)計(jì)算爐缸內(nèi)渣鐵生成量和殘余量,，并與爐缸安全容鐵量進(jìn)行比對(duì),，指導(dǎo)高爐出鐵操作，間接判斷軟融帶上下移動(dòng)程度,。

　　奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專(zhuān)家系統(tǒng)：

　　1992 年的早期專(zhuān)家系統(tǒng)是咨詢(xún)式專(zhuān)家系統(tǒng),，主要功能是對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和提出操作建議，1996 年升級(jí)為具有部分閉環(huán)式功能專(zhuān)家系統(tǒng),，閉環(huán)功能主要用于焦比控制,、入爐堿度控制和蒸汽噴吹量控制,。系統(tǒng)由過(guò)程信息管理系統(tǒng)、過(guò)程數(shù)學(xué)模型,、爐況的診斷評(píng)估系統(tǒng),、爐況調(diào)節(jié)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。

　　其他類(lèi)型高爐專(zhuān)家系統(tǒng)：

　　德國(guó)帝森克虜伯公司高爐專(zhuān)家系統(tǒng)（THYBAS）,。THYBAS 系統(tǒng)用于判斷軟熔帶,、計(jì)算***低燃料比、預(yù)報(bào)鐵水溫度,、計(jì)算爐缸內(nèi)渣鐵液位高度,。

　　瑞典高爐智能報(bào)警系統(tǒng)。應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),、專(zhuān)家系統(tǒng)和專(zhuān)家規(guī)則預(yù)測(cè)爐溫,。

　　法國(guó)高爐***監(jiān)控系統(tǒng)。法國(guó)的SOLLAC 公司開(kāi)發(fā)SACHEM 高爐***監(jiān)控系統(tǒng),，用于異常爐況預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)爐況診斷,。

　　國(guó)外***典型高爐專(zhuān)家系統(tǒng)主要有3個(gè)，分別是日本的GO-STOP 系統(tǒng),、芬蘭Rautaruuki 高爐專(zhuān)家系統(tǒng)和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專(zhuān)家系統(tǒng),。目前，德國(guó)西門(mén)子公司組合芬蘭Rautaruuki 和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專(zhuān)家系統(tǒng),，開(kāi)發(fā)新一代高爐專(zhuān)家系統(tǒng),。

　　我國(guó)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)

　　我國(guó)高爐數(shù)學(xué)模型和專(zhuān)家系統(tǒng)起步相對(duì)較晚，發(fā)展過(guò)程與國(guó)外基本類(lèi)似,，首先從數(shù)學(xué)模型開(kāi)始,，之后開(kāi)展高爐專(zhuān)家開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

　　我國(guó)高爐數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)過(guò)程：

　　我國(guó)***早的高爐數(shù)學(xué)模型是1987 年由清華大學(xué)與鞍鋼合作開(kāi)發(fā)的鐵水[Si]含量預(yù)報(bào)模型,，應(yīng)用在鞍鋼9號(hào)高爐和4 號(hào)高爐,，預(yù)報(bào)命中率82%，用于輔助高爐操作人員判斷爐溫發(fā)展趨勢(shì),。20 世紀(jì)90 年代,，一些企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)與應(yīng)用一些數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)表2,。

　　我國(guó)高爐數(shù)學(xué)模型種類(lèi)少,，前期主要集中在鐵水[Si]含量預(yù)報(bào)模型，雖然后期相繼開(kāi)發(fā)一些數(shù)學(xué)模型,，但應(yīng)用效果均沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo),。

　　我國(guó)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程：

　　20 世紀(jì)90 年代以后，隨著國(guó)內(nèi)高爐急速向大型化,、現(xiàn)代化發(fā)展,，許多大型高爐在基礎(chǔ)自動(dòng)化改造中采用計(jì)算機(jī)一級(jí)和二級(jí)系統(tǒng),，為高爐專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)主要有三種類(lèi)型,。

　　引進(jìn)國(guó)外高爐專(zhuān)家系統(tǒng),。如寶鋼引進(jìn)日本的GO-STOP 系統(tǒng)，1996 年投入運(yùn)行,；武鋼,、本鋼、首鋼和唐鋼引進(jìn)芬蘭高爐專(zhuān)家系統(tǒng),；攀鋼,、沙鋼、昆鋼,、重鋼和南鋼引進(jìn)奧鋼聯(lián)的高爐專(zhuān)家系統(tǒng),。

　　在引進(jìn)國(guó)外專(zhuān)家系統(tǒng)基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)的高爐專(zhuān)家系統(tǒng),。例如,，寶鋼在引進(jìn)與消化日本“GO-STOP”系統(tǒng)基礎(chǔ)上，與復(fù)旦大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了“爐況監(jiān)視和管理系統(tǒng)”,。武鋼在引進(jìn)芬蘭高爐專(zhuān)家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，與北京科技大學(xué)合作在1 號(hào)高爐開(kāi)發(fā)自己的高爐專(zhuān)家系統(tǒng)。

　　自主開(kāi)發(fā)的高爐專(zhuān)家系統(tǒng),。例如首鋼與原冶金部自動(dòng)化研究院合作開(kāi)發(fā)的“人工智能高爐冶煉專(zhuān)家系統(tǒng)”,，系統(tǒng)包括爐體熱狀態(tài)判斷系統(tǒng)、異常爐況判斷和爐體狀態(tài)判斷3個(gè)子系統(tǒng),；馬鋼與原冶金部自動(dòng)化研究院合作開(kāi)發(fā)“馬鋼高爐爐況診斷專(zhuān)家系統(tǒng)”；南鋼與重慶大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的“南鋼高爐操作管理系統(tǒng)”,；鞍鋼開(kāi)發(fā)的“11 號(hào)高爐人工智能系統(tǒng)”,；浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的“高爐煉鐵優(yōu)化專(zhuān)家系統(tǒng)”分別在杭鋼、新臨鋼鐵,、萊鋼,、濟(jì)鋼和邯鋼高爐得到推廣與應(yīng)用。該系統(tǒng)針對(duì)國(guó)內(nèi)高爐實(shí)際條件,，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,，尋找冶煉參數(shù)的***佳范圍、***佳組合,，從而實(shí)現(xiàn)爐況故障診斷,、爐溫預(yù)報(bào)與高爐生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)打印，對(duì)爐況進(jìn)行綜合推斷,，使高爐順行穩(wěn)定程度提高,，實(shí)現(xiàn)控制,、管理一體化。

　　國(guó)內(nèi)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)存在問(wèn)題：

　　與國(guó)外企業(yè)相比,，國(guó)內(nèi)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)起步晚,，整體上高爐專(zhuān)家系統(tǒng)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，大部分企業(yè)在嘗試應(yīng)用一段時(shí)間后,，由于各種原因,，***終還是選擇放棄。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家系統(tǒng)不成功主要原因如下：

　　高爐操作理念差異,。國(guó)內(nèi)高爐操作者側(cè)重自身經(jīng)驗(yàn),，主要靠監(jiān)控一級(jí)畫(huà)面來(lái)操作高爐，國(guó)外高爐大部分常規(guī)操作均由專(zhuān)家系統(tǒng)自動(dòng)閉環(huán)控制或按高爐專(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)操作,；

　　化檢驗(yàn)數(shù)據(jù)失真或輸入滯后,，專(zhuān)家系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)不可靠或數(shù)據(jù)時(shí)效性差，造成推理機(jī)給出錯(cuò)誤的反饋信息,，造成高爐操作人員對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)失去信任,；

　　一級(jí)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)不可靠，例如,，大部分高爐提供的爐頂煤氣成分在線自動(dòng)分析和爐身靜壓力儀表數(shù)據(jù)均不準(zhǔn)確,；

　　高爐專(zhuān)家系統(tǒng)缺少有效維護(hù)，尤其引進(jìn)的高爐專(zhuān)家系統(tǒng),，由于沒(méi)有培養(yǎng)自己的專(zhuān)業(yè)維護(hù)人員,，專(zhuān)家系統(tǒng)得不到有效維護(hù)與完善，***后被迫放棄,。

　　高爐專(zhuān)家系統(tǒng)發(fā)展方向

　　在新形勢(shì)下,，我國(guó)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，《鋼鐵“十三五”規(guī)劃》和《鋼鐵行業(yè)投資指南》中明確提出培育形成一批鋼鐵智能制造工廠,，尤其是支持鋼鐵生產(chǎn)關(guān)鍵工序的大數(shù)據(jù)中心平臺(tái)建設(shè),。因此，結(jié)合信息化技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)高爐生產(chǎn)智慧化和集約化，將成為新的發(fā)展方向,。

　　推動(dòng)高爐生產(chǎn)向智慧化和集約化發(fā)展

　　目前我國(guó)高爐基本上完成大型化,、現(xiàn)代化改造，高爐裝備水平達(dá)到***,，要結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高爐上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高爐大數(shù)據(jù)云平臺(tái),、大數(shù)據(jù)挖掘與智能分析,，實(shí)現(xiàn)智慧化,、集約化管理模式。

　　建立以高爐為核心覆蓋其他煉鐵工序數(shù)據(jù)源和大數(shù)據(jù)處理中心的信息系統(tǒng),，打破信息“孤島”,，建立集團(tuán)公司級(jí)煉鐵大數(shù)據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為高爐群實(shí)現(xiàn)集約化管理模式奠定基礎(chǔ),；

　　建立高爐機(jī)理模型與數(shù)字化模擬相融合系統(tǒng),。建立“數(shù)字化高爐”仿真平臺(tái)，深度解析高爐冶煉機(jī)理以及高爐多元,、多相,、多場(chǎng)強(qiáng)烈耦合的內(nèi)部現(xiàn)象，將高爐冶煉機(jī)理與數(shù)據(jù)分析融合,，修正與重構(gòu)高爐數(shù)學(xué)模型,。

　　高爐大數(shù)據(jù)全流程挖掘與云計(jì)算。將歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前操作關(guān)聯(lián),，實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過(guò)程多種操作參數(shù)優(yōu)化,，推算***佳高爐工藝路線。

　　建立高爐操作指導(dǎo)系統(tǒng),。匯集全方位數(shù)據(jù),，對(duì)數(shù)據(jù)溯源分析，對(duì)特征數(shù)據(jù)提取,、整合,、結(jié)果推送，推送變更操作影響因素和上一班次操作參數(shù)爐況評(píng)價(jià)和運(yùn)行趨勢(shì)分析結(jié)論,。

　　推動(dòng)高爐冶煉過(guò)程向可視化技術(shù)發(fā)展

　　將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）應(yīng)用于高爐冶煉生產(chǎn)過(guò)程,，構(gòu)建多源信息融合交互性的高爐冶煉環(huán)境，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價(jià)值,，實(shí)現(xiàn)高爐大數(shù)據(jù)云平臺(tái)交互,，高爐冶煉全過(guò)程可視化管理，實(shí)現(xiàn)“黑盒子”向“白盒子”的突破性進(jìn)步,。

　　開(kāi)發(fā)爐頂料面三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。采用多項(xiàng)高爐可視化監(jiān)控和仿真技術(shù),，使用爐頂攝影圖像和激光料面掃描檢測(cè)儀表,，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)建立料面形狀分布參數(shù)，指導(dǎo)高爐布料操作,。

　　開(kāi)發(fā)高爐操作爐型三維可視化監(jiān)控系統(tǒng),。建立高爐爐內(nèi)不同區(qū)域爐墻內(nèi)型變化和爐內(nèi)氣流分布判斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐體的內(nèi)襯厚度,、渣皮厚度,、操作爐型的在線監(jiān)測(cè)和圖像重建,，對(duì)爐墻結(jié)瘤、渣皮頻繁脫落,、操作爐型不合理等異常情況進(jìn)行診斷,。

　　開(kāi)發(fā)高爐風(fēng)口回旋區(qū)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用多視角的高爐風(fēng)口CCD 圖像,，利用圖像識(shí)別技術(shù)建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)模型,，可視化地反映回旋區(qū)分布情況，監(jiān)控風(fēng)口區(qū)域焦炭運(yùn)動(dòng),、噴吹煤粉流股大小,，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)口區(qū)域生降等，判斷高爐爐缸工作狀態(tài),。

　　開(kāi)發(fā)三維數(shù)字化爐缸內(nèi)襯侵蝕可視化診斷系統(tǒng),。有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件和不充分條件下的爐缸內(nèi)襯侵蝕三維可視化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各個(gè)服役階段爐缸的侵蝕診斷和安全評(píng)估,，科學(xué)確定爐缸內(nèi)襯的安全厚度和安全預(yù)警線,，科學(xué)制定目標(biāo)爐缸安全維護(hù)技術(shù)，保證高爐安全受控,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　雖然我國(guó)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)起步晚,，但我國(guó)高爐數(shù)量眾多，而且基本上完成現(xiàn)代化改造,，配置先進(jìn)基礎(chǔ)自動(dòng)化和先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，具備開(kāi)發(fā)高爐專(zhuān)家系統(tǒng)基礎(chǔ)條件。在***鼓勵(lì)制造業(yè)加速向數(shù)字化,、網(wǎng)絡(luò)化,、智能化方向拓展政策引導(dǎo)下，鋼鐵企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身高爐裝備水平,、原燃料條件,，開(kāi)發(fā)符合自身特點(diǎn)、針對(duì)企業(yè)自身存在主要問(wèn)題的專(zhuān)家系統(tǒng),。

　　具有多座高爐的企業(yè)應(yīng)該將數(shù)據(jù)庫(kù),、物聯(lián)網(wǎng)、高爐專(zhuān)家系統(tǒng)充分融合,，在新形勢(shì)下,，結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，實(shí)現(xiàn)高爐群集約化管理模式,，開(kāi)發(fā)與應(yīng)用高爐冶煉過(guò)程可視化集成技術(shù)，實(shí)施高爐冶煉全過(guò)程可視化管理模式，努力實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過(guò)程的***在線控制,，達(dá)到高效,、綠色、安全的生產(chǎn)目標(biāo),。


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