冶金自动化：支撑钢铁工业可持续发展六大技术之一

　　2020 年我国实现GDP 翻两番，钢铁材料是我国社会经济发展的必选材料，钢铁工业的健康持续发展是我国GDP 翻两番和实现新型工业化的重要支撑条件。在强劲市场需求推动下，近两年我国钢产量以每年5000 万t以上规模和20%以上速度递增，据调查，截止到2004年底，全国形成了4.2亿t钢生产能力，超过了市场预期需求，当前中国钢铁工业的发展正在由迅猛发展时期，进入到价格、品种、质量、服务全面激烈竞争时期。

　　钢铁工业可持续发展对冶金自动化技术提出了新的需求，中国钢铁工业协会把钢铁企业信息化技术列为支撑我国钢铁工业可持续发展的六大技术之一，对冶金自动化技术发展既提供了机遇也提出了挑战。本文从与钢铁工业可持续发展有关的节能、品种质量、环保等方面，探讨了对冶金自动化技术需求和冶金自动化技术发展趋势。

　　钢铁工业节能与冶金自动化技术发展

　　1 　钢铁工业节能的主要途径

　　钢铁工业节能主要有淘汰落后产能、减少能源消耗和能源循环利用三方面途径，后两种途径与冶金自动化技术有关。其中，减少能源消耗的主要措施包括生产工艺和流程的改进和优化、采用节能材料和技术等；能源循环利用的主要措施包括物理能和化学能的回收利用、能量平衡和优化等综合节能。减少能源消耗和能源循环利用在炼铁、炼钢和轧钢等主要工序都有所体现。

　　炼铁工序。焦炉-高炉炼铁流程的生产工序多，设备复杂，建设投资高，是钢铁生产中耗能最多的工序，耗能量占总耗能量的35%左右，各企业都将炼铁工序作为节能工作的重点，主要节能措施有焦炉采用干熄焦技术、煤干燥技术和炼焦煤预热工艺等；炼铁高炉采用喷煤炼铁、高炉煤气余压发电、高炉干式除尘、热风炉余热回收等技术。

　　炼钢工序。炼钢节能技术主要集中在推广新工艺、淘汰陈旧设备和落后工艺，实行余能、余热回收等。前者有转炉淘汰落后的平炉炼钢、连铸取代模铸、采用铁水预处理和精炼技术；后者有转炉煤气回收和再利用、综合能量优化、电炉二次燃烧和废钢预热、钢渣热能回收等技术。

　　轧钢工序。轧钢工序是钢铁材料生产能源消耗的主要工序之一。在轧钢加工费用中，能源消耗占65%～70%。从轧钢生产主要工艺流程看，坯料加热、热轧、冷轧和退火是主要的能耗环节。其中耗能最大且节能潜力最大的是坯料加热工序，其次是热轧工序。坯料加热节能技术主要有铸坯(锭) 热送热装、加热炉结构优化、燃烧控制、烟气余热回收利用和加热炉计算机控制等。热轧工序节能技术主要有连轧、快速轧制、无头轧制、一火成材、热轧工艺润滑、轧制工艺优化、提高成材率、减少轧制间隙时间和提高轧机传动效率等。

　　2 　满足钢铁工业节能需求的冶金自动化技术

　　(1) 先进的检测和控制系统是节能工艺和装备的使能条件。自动化装备能够保证节能工艺和装备发挥节能效果，如高炉喷煤需要多相流煤粉检测，煤气回收需要煤气分析仪，高炉煤气余压发电需要对煤气温度和压力的稳定控制等。自动化装备也是节能工艺和装备安全可靠运行的必要条件，以转炉煤气回收为例，转炉煤气是一种高毒性、易燃易爆气体，煤气的产生又是间断的，其质量、成分也在不断变化。为了保证煤气中的O2含量低于2%、CO含量高于45%，回收系统必须配有精度高、灵敏可靠的检测仪表、操作灵活的阀门及计算机自动控制系统。

　　(2) 电气传动设备本身的节能构成了钢铁工业节能的重要组成部分。钢铁工业中有众多的风机、水泵、皮带机及其它电机设备，其耗电量约占行业总用电量的50%以上。这些设备中，有一半以上的工作负荷周期性变化，如转炉排烟机、高炉除尘风机、冲渣水泵、皮带运输机等。一些企业仍采用落后的方式调整这些设备的负荷，浪费了大量的电力。采用交流变频调速等自动化技术，可取得节电20%～40%的效果。

　　(3) 先进的过程控制是节能降耗的重要手段。利用数学模型和智能控制理论对工业炉窑进行计算机优化控制，可直接取得钢铁行业显著的节能效果，典型例子有高炉专家系统、转炉炼钢终点控制模型、电炉能量输入优化模型、智能精炼炉控制系统、加热炉优化控制模型和模糊控制系统等。此外，先进的过程控制能提高产品质量、减少设备故障、保障生产顺行，可间接达到节能降耗的目的。

　　(4) 生产管理信息化是连续生产节能降耗的支撑条件。随着钢铁生产技术特别是连铸与热轧的发展，钢铁生产过程日趋紧凑、高效化地连续生产，使得产品生产周期大幅度缩短，要求对整个生产过程中的各工序间的物流、能流和生产时序进行准确预报，实现快速信息反馈，及时、准确和灵活地调整生产工艺和产品方案，这要求能对整个复杂的钢铁生产过程实现集中统一的生产管理、信息追踪和决策调整。为保证炼钢- 连铸- 轧钢生产的连续稳定，一个贯穿炼钢、连铸、热轧各工序的统一的生产计划与管理系统是十分必要的。此外，实现连续生产，达到节能降耗的目的，要求生产中的各种缓冲能力或容量逐渐减少，对各工艺环节在制品的质量和合格率提出了更高的要求，如无缺陷连铸坯是保证热送热装的必要条件，这就要求钢铁企业自动化系统应具备对产品进行质量预报、在线热态无损监测和质量控制的能力。

　　(5) 能源监控系统为钢铁工业节能提供定量依据。很多钢铁企业至今仍采用手工抄表、人工统计、手工键入、计算机打印报表的落后模式。没有实时准确的能量消耗数据检测和能量产生设备的控制，钢铁企业节能工作的效果就会大打折扣。能源监控系统通常由一些站所管理，如电力调度站、煤气调度站、水处理监控站等，涉及钢铁企业各个角落，需要采用必要的遥测、遥控技术，多相流体介质能源的质量、消耗量的检测技术以及数据校准、核算技术。

　　一般应具有以下功能：1) 能源供应实绩收集。收集各能源生产、外购、外销的实际数量及质量数据，建立相应的数据库以保存这些数据；2) 能源消耗实绩收集。收集各生产厂或车间、各工序、各机组、各产品对各种能源的消耗量，建立相应的数据库以保存这些数据；3) 能源设备安全监控。对能源主体设备安全运行状况进行实时监测，紧急情况下，要启动能源中断应急措施。

　　(6) 现代化能源管理中心是钢铁工业节能水平的标志。建立能源中心的目的，一是确保生产用能的稳定供应；二是充分利用低价能源代替高价能源；三是集中管理与自动化操作，提高劳动生产率。现代化能源管理中心配备有计算机和各种监控仪表，不仅具有能源流向监测、能源供应和使用平衡、能源信息预测预报等功能，而且具有结合生产动态情况对能源进行优化管理、优化调度和监控功能，可在一定程度上缓解能源供应紧张的局面，对企业节能降耗、改进能源利用效率、提高经济效益有重要作用。

　　能源管理中心一般具有以下功能：1) 能源供需平衡分析。建立能源网络模型或能源控制模型，求解能源供需平衡，编制能源供需计划，收集整理并建立能源消耗数据库，动态收集各种能源消耗量、能源构成量、各产品能源消耗量及工序能耗，制作实际能源平衡表；2) 能源分析与预测。收集整理能源历史资料，建立数据库，建立能源预测模型，以达到企业能源政策、能源供需最佳化的目的；3) 能源考核和管理。收集能源消耗指标，制定能源考核指标，分析产品能耗、工序能耗及吨钢综合能耗；4) 能源生产、外购和外销计划。根据能源平衡报出的供需计划，编制能源的生产计划、外销计划和外购计划；5) 能源在线调度。建立能源线性规划模型以达到能源分配优化，实施能源在线调度，完成能源转换，制定防止能源短缺的预案，制定能源中断时的应急方案。

　　品种质量与冶金自动化技术

　　1 　增加品种提高质量的主要环节

　　我国钢材消费结构中板带占41 %，长材占50%。但进口钢材品种结构中薄板带占到85%，说明我国在钢材总量过剩的同时，品种结构和质量水平还不能完全满足国内市场需求。按照2005年上半年进口钢材1322万t 估计，全年进口钢材将在2600多万t，仍然是世界上进口钢材最多的国家。品种质量方面仍有很多工作要做，增加品种提高质量需要把握好以下主要环节。

品种开发。按照客户需求进行产品设计、制订产品质量标准和制造作业规范，明确产品生产过程中的质量检测活动以及每个质检活动里的具体测试项和符合标准的取值(期望值) 。

　　质量控制。对产品设计、制造过程、辅助生产过程等进行全面质量控制。其中产品设计广义上包含“调研- 研究- 设计- 试制- 定型”五个相互衔接的过程；制造过程一般包括炼铁、炼钢和轧钢等冶金生产主流程；辅助生产过程一般包括辅助材料供应、工具的制造或外购、设备的外购与维修、动力介质的供应以及运输保管等。

　　质量检验。对实体的一个或多个特性进行的诸如测量、检查、试验或度量，并将结果与规定要求进行比较，以确定每项特性是否合格。按不同阶段分类，可分为预先检验、中间检验、完工检验和包装分发检验等。

　　质量分析。是质量改进的重要环节，质量影响因素分析和质量改进分析为质量改进提供理性的方向、目标和方案，质量成本分析为质量改进方案优先次序选择提供经济依据。

　　2 　满足品种质量需求的冶金自动化技术

　　1) 　品种开发的支持技术

　　目前冶金自动化技术更多地关注和支持主要工艺生产过程，对品种开发的支持较少，在这方面可借鉴机械、石化行业的成功经验，争取有所突破。应与材料、工艺研究相结合，采用计算机仿真、数据挖掘等技术，研究不同化学成分、不同温度制度、不同压力加工制度、不同工艺装备几何尺寸等对钢材内部组织结构和外部机械性能的影响，为品种开发提供定量支持。

　　2) 　产品质量在线连续检测分析技术

　　为满足质量管理的要求，质量检验分析技术取得了飞速发展。钢铁工业生产过程中许多关键工艺参数目前仍处于离线或断续测量的水平，产品质量分析的发展趋势是利用计算机数据处理能力和复合传感技术进行智能化“软测量”，强调对生产过程关键质量要素的在线连续检测分析。

　　(1) 钢水温度、成分和纯净度的连续分析。国内外很多单位正在开发钢水温度连续测量和钢水成分连续分析技术。采用高温绝缘性材料、炉气分析、质谱仪、光谱仪等技术，结合模型计算，为转炉/电炉和二次精炼过程提供了化学成分和钢水温度的连续在线信息；但如何保证寿命长、成本低、测量精度满足工艺需要方面还需要进一步研究。

　　(2) 连铸坯品质异常分析。连铸坯品质异常分析的设计思想，是由计算机对连铸生产过程的异常事件进行自动判别，结合不同钢种的品质要求，根据产生异常的不同程度对铸坯进行相应处置，从而消除缺陷、提高输出铸坯的实物质量。这里所指的连铸生产过程“异常”，主要包括结晶器液位波动大、拉速变动大、钢水二次氧化、耐材及保护渣卷入等，它们都会在一定程度上对连铸坯的表面和内部质量造成危害。

　　(3) 钢材质量的表面缺陷分析。表面缺陷是影响钢材质量的一个重要因素，如何在生产过程中在线检测冷轧带钢的表面缺陷，从而控制和提高产品的表面质量一直是钢铁企业非常关注的。目前主要采用面阵CCD 摄像头采集高速运动状态下的带钢表面图像，并且将图像传给与摄像头相连的计算机，由并行计算系统对数据进行处理和分析。为了提高系统的精度，系统采用多台摄像头同时采集带钢表面图像，相邻的摄像头采集到的图像之间有重叠，从而保证系统可以扫描到整个钢板的表面。

　　3) 　实验室信息管理系统

　　质量管理对检化验实验室的工作提出了新的要求，实验室不仅从事必要的质量检验分析工作，而且需要建立实验室信息管理系统(LIMS) 并与企业生产与质量管理融为一体。

　　LIMS 将现代化管理思想与计算机网络技术、数据存储技术和自动化仪器分析技术集为一体，用于实验室信息管理和控制。企业在分析实验室、测试中心等地部署LIMS ，它集样品管理、资源管理、事务管理、网络管理、数据管理(采集、传输、处理、输出、发布) 和报表管理等诸多模块为一体，组成一套完整的实验室综合管理和产品质量监控体系，对人员、仪器设备、物料、试验方法、试验环境、检测进度、样品管理、质量保证等进行综合闭环管理，从而提高实验室管理的整体水平。以实验室为中心，分析数据、信息共享、生成报告、保证质量，为实验室的运行效率、管理水平和学术水平的整体提高提供技术性支持，最大限度地发挥现有设备、资源、人、技术的作用。

　　环保与冶金自动化技术

　　1 　钢铁工业环保考虑因素

　　我国钢铁行业各企业之间用水和污染治理水平存在很大差距，新建企业，如宝钢，在建厂时就已从技术及设备上考虑了环保问题，因而近年来它的水重复利用率超过97%，废气排放达标率达到100%，已达到或接近国际先进水平。但就总的情况看，由于老企业、中小型企业较多，设备较为陈旧，特别是中小型企业存在问题较多，水的重复利用率和废气排放达标率甚至低于70%，因此，在钢铁工业中开展环保技术的研究是十分必要的。

　　目前我国正拟从环境目标总量控制向环境容量总量控制转变，其核心是将区域现状污染物排放总量逐步削减到环境容量允许的范围之内，从而真正实现环境质量改善的目标。我国钢铁工业若要在现有规模上进一步扩大，就必须适应排污总量控制和环境容量的要求，特别是国家将要执行的排污许可证制度及相关处罚制度，将对钢铁工业的发展产生较大的影响。今后我国钢铁企业只能在有限的环境容量和资源的条件下，通过采取各种技术和管理手段，提高资源利用效率，减少排污，降低成本，实现增长方式的根本转变，才能得以生存和发展。

　　2 　满足钢铁工业环保的冶金自动化技术

　　(1) 基于ECD&M( Environmentally Conscious De2sign and Manufacturing) 的钢铁产品设计和流程优化设计。未来流程工业面临的已不是单一的质量、性能问题，而是成本、质量/ 性能、生产效率、过程排放、过程综合灵活控制、环境、生态等多目标群，要认识、解决这类多目标群的挑战，必须从整体上解决钢铁制造流程的结构优化、功能优化和效率优化。需要研究开发相关计算机仿真模拟技术和信息化技术，支持钢铁产品生命周期模型和绿色产品设计开发，各种流程的环境影响评价、对比分析模型，支持零排放或低排放的流程组合和整体优化系统。

　　(2) 钢铁生产过程中降低排放的自动化技术。研究开发生产过程包含环境因素的广义建模和优化控制技术；研究开发生产流程中产品质量的在线检测、评估、判断、控制技术，防止不合格品带来的资源、能源的浪费；研究开发重要工艺设备的故障诊断、预测维护等管理、控制技术，保障生产流程连续、紧凑、高效。

　　(3) 与钢铁流程清洁生产配套的自动化技术。钢铁工业生产必然产生各种污染物，为保护环境，其排放控制至关重要，因此需要研究开发相关的自动化技术，如污水、废气、钢(铁) 渣等的在线分析检测监视技术，除尘、水处理等高压大功率电气传动技术，功率补偿和谐波治理技术，排放与生产协同优化控制技术等。

　　(4) 与钢铁流程排放物循环利用配套的自动化技术。与高炉、焦炉、转炉等冶炼过程产生煤气的循环利用配套的自动化技术，与铁渣、钢渣循环利用配套的自动化技术，利用高温冶炼设备消化社会固体废弃物配套的自动化技术等。