冶金过程自动化技术丛书 炼铁生产自动化技术.pdf

第章 概 述 ， 且要 以 炼铁就是通过冶炼铁矿石，从中得到金属铁的过程。现代炼铁法不外高炉炼铁法和非 高炉炼铁法。高炉炼铁法，即传统的以焦炭为能源的炼铁法。由于高炉炼铁技术经济指标 好， 工艺简单、 可靠， 产量大， 效率高， 能耗低， 这种方法生产的铁占世界生铁总产量 上，高炉炼铁这种主导地位预计在相当长时期之内不会改变，但是一些缺乏焦炭资源的国家 和地区， 也使用不同形式的非高炉炼铁法。 非高炉炼铁法， 即高炉以外的， 不用焦炭， 而以 煤、燃油、天然气、电为能源基础的炼铁方法。非高炉炼铁法主要有直接还原法和熔融还原 法，此外还有电炉炼铁法。直接还原法是指铁矿石在低于熔化温度之下还原成海绵铁的炼 铁生产过程， 其产品是直接还原铁， 也称海绵铁。 它有气体直接还原法 （竖炉法） 和固体还原 剂直接还原法 （主要是回转窑法） 。 近年来， 直接还原法发展迅速， 在世界钢铁工业已有一定 地位，而在一些国家则居主要地位。熔融还原法是指一切不用高炉冶炼液态生铁的方法，发 展熔融还原法的目的在于取代目前的高炉炼铁法，它是用高品位铁精矿，经预还原在高温熔 融状态下直接还原成液态金属。熔融还原法是正在发展的、很有前途的一种方法。电炉炼 铁法是以电热代替焦炭燃烧，但仍用少量焦炭或炭素作还原剂，产品是液态生铁，它只用于 水电资源丰富而又缺乏焦炭的地区和国家。 基于下列原因 ， 因此有效节能经济意义很炼铁工业是能耗大户，高炉炼铁占整个钢铁企业的 大，是关系钢铁工业稳定发展必不可少的因素，而自动化技术对节能起了关键作用。 ）设备大型化。现代高炉容积已超过 钢厂高炉，据统计每悬料一次平均减产 计算机为中心的异常炉况预报系统命中率高于 事故。 工艺连续化与前后工序关联化。无论高炉还是非高炉炼铁都要为后续工序炼钢提 供及时的、 优质的钢水， 后续工序的产品质量、 操作都受由前列工序来料的影响， 没有自动化 和信息化系统，难以为后续工序提供及时的质量均一的原料。 工艺操作复杂。要求产品高质量、高效率、高收得率和低耗。例如高炉生产需要 正确的配料和及时的装入炉内、保持煤气流与炉料良好的接触、使炉料均匀下降，维持一定 的炉缸热状态， 人工操作时很难达到， 此外， 高炉是密闭的， 必须借助于许多检测仪表才能判 断其内部情况，故自动化是必不可少的。 高炉， 一昼夜需装料原料用量大， 运输量大。 例如一个 按严格的配比和顺序装入，没有自动配料装料和批重以及水分补正系统就不仅耗费人力，且 无法获得良好技术指标。 设备要有高的运转率同时要长寿。例如要减少高炉的休风率，就得自动监视设备 ， 而 以 ，稍一不正常就损失很大，例如某 ，每崩料一次减产 ，从而使工长预先采取措施，避免 1 状态，出现故障先兆时就设法排除。要高炉长寿，就得监视砌体烧损情况，炉体温度和煤气 流分布，并依此而及时调整。 因此，炼铁生产应用自动化已成为必然趋势，它不仅是炼铁工业现代化的标志，且投 入产出比显著，据奥钢联的报道，其高炉自动化系统 运行结果取得良好的结果和效益 总燃料消耗量减少 投资回收期不到 百万美元， ） 级是单纯考虑生产过 百万美元，总计为百万美 ； 鉄 百万 项为 项的年经济 效益为 元／年） 。 级结构的 现代钢铁工业自动化包括基础自动化、过程自动化、管理自动化，即众所周知的三 系统 （计算机集成制造系统， 流程工业称 分为为综合管理控制系统），三级结构就是把 ）级是单纯考虑企业经营管理问题的企业资源规划（ 是利用以财务分析决策为核心的整体资源优化技术， ，即制造执行系统）级是考虑生产与管理结合问题的中间层制造执行系统，主要利 用以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术和以生产综合指标为目标的生产过程 优化运行、优化控制与优化管理技术， 程问题的过程控制系统，即过程自动化和基础自动化系统。近年来由于要适应激烈的市 场竞争需要，互联网和信息技术的发展，全球化的趋势，钢铁公司的信息化和自动化已从 钢铁公司内部到顾客和社会。实行生产一物流一销售一体化，不仅生产部门与公司销售 部门联网，且与外界贸易公司，最终用户（汽车、家电、机电制造等工厂）以至税务部门和 海关联网甚至和国外的有关部门通信，使信息更广域化和高效化，甚至通过卫星监视船 舶到达地点，以向用户报告使之作接受准备。此外，电子商务的发展等等，这就要求信息 的功（网络集成制造系统）系统。 和智能技术为基础， 能充 分利用互联网的资源，能实现全球化供销链、远程技术支持和远程诊断等，包括常规控制 和智能控制、监控、复杂的优化数学模型和人工智能模型等运算、智能信息处理（运行生 等）以及电子商务等。 炼铁生产的信息化、 自动化系统也如钢铁工业自动化系统同样包括 基础自动化、 过程 的一部分， 但管理自动化中的 厂的范围，故本书的信息化、自动化系统只叙述到制造执行级为止。 能已远远超出 化、 自动化系统能适应这些进展， 为此， 出现 计算机集成制造系统） 的功能， 它是以 产经营管理软件如 ， 包括主体和辅助系统， 主体系统如图所 级是全钢铁自动化、 管理自动化， 应该是钢铁工业 炼铁 生产工艺 简述 高炉生产工艺简述 现代大型高炉车间生产工艺流程见图 示， 包括五部分 高炉本体、 贮矿槽、 出铁场、 除尘器和热风炉。 辅助系统则有煤气清洗、 炉顶 生产率平均提高 喷煤率提高 个月 （以年产 百万美元， 厂在林茨厂和南非 ； 煤气利用率至少提高 硅标准偏差小于 铁水的高炉为基础， 项等为 ，国内在钢铁工业有学者称 三级，其中 ， 主要 炼铁是在高炉内进行还原反应过程，如图所示， 炉料矿石、 燃料和熔剂从炉顶 煤气余压发电 （、 水渣、 水处理和制煤粉车间等。 2 ）调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触； 图 来完成。 典型高炉炼铁工艺流程及其主要设备示意框图 （有料钟型和无料钟型两种） 装入炉内， 从鼓风机来的冷风经热风炉后， 形成热风从高炉风口 鼓入， 随着焦炭燃烧， 产生热煤气流由下而上运动， 而炉料则由上而下运动， 互相接触， 进行 热交换， 逐步还原， 最后到炉子下部， 还原成生铁， 同时形成炉渣。 积聚在炉缸的铁水和炉渣 分别由出铁口和出渣口放出。 高炉操作主要是解决下列四个问题 控制炉料均匀下降； 的热状态。 或 达到优质、 低耗、 高产的目的， 为确保高炉炉况稳定必须随时掌握炉内各参数的变化情况， 及 时予以调整，这就有赖于自动控制技术。高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控 制系统和计算机，即基础自动化、过程自动化和管理自动化。仪表控制系统和电气控制系统 通常由 正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内； 保持合适 ） 可归结为要求炉况稳定顺行。 只有在炉况稳定顺行的状态下， 才能 3 在空间氧化区被氧化，并提供还原反应 图 现代高炉内型剖面图） 高炉主体工艺流程示意图 高炉主体工艺流程及主要设备； 非高炉生产工艺简述 非高炉炼铁虽然有多种方法，但主要是直接还原法和熔融还原法。 直接还原法生产工艺简述 煤基直接还原法工艺简述 煤基直接还原法主要是使用回转窑把固体还原剂进行直接还原，按照炉料出料温度，可 以生产海绵铁、粒铁及液态铁，而回转窑海绵铁法是应用最广的直接还原方法。其原理见图 ， 由焦粒 （煤粒） 、 块状铁矿及石灰石粒 （或白云石） 等组成的固体炉料由窑尾加入回转窑， 窑体稍有倾斜， 在窑转动时把炉料推向窑头， 窑头外设有烧嘴燃烧燃料 （煤粉、 煤气或燃油） ， 废气由炉尾排出， 炉气与炉料逆向运动， 炉料在预热段被加热， 蒸发水分及分解石灰石， 温度 达后， 在料层内进行固体炭还原， 放出的 需要的热量，在还原区与氧化区中间有一个由火焰组成的中性区，使料层表面仅有不强的氧 化层，炉料翻转后再被还原。 回转窑炼铁过程示意图图 4 ， 金属化率在部分的比例接近 图流程示意图 铁矿石 （粒度为的天然块矿） 、 脱硫剂 （粒度为的白云石） 和还原 煤 （包括返煤， 还原煤为。 其 中烟煤， 粒度小于与矿石一起自窑尾加入， 其余自窑头喷入） 自窑尾加入回转窑。 以窑体的转动为动力， 炉料缓慢向窑头运动， 温度 逐渐升高。炉料温度达到一定的水平时，矿石中铁的还原反应开始发生，并随着温度的提高越 的磁性物冷压块和小于 来越剧烈。完成还原反应的产品自窑头排出回转窑。这一过程约需要 个二次风机和二次回转窑头装有主燃烧器，以煤为燃料为窑内提供热量。窑身备有 和还原风管。二次风管开口在回转窑轴线位置，吹入的助燃空气可烧掉气相中的 煤放出的挥发分。通过调节不同部位的二次风量可方便地控制窑内的温度分布。在接近窑 尾的部位还设有一组埋入式送风嘴，以提高炉料升温速度。窑内温度分布通过装设在窑壁， 按窑身长度分布的热电偶组监测。 ， 长炉料自回转窑排出后，进入一个用钢板制作的冷却筒。冷却筒直径， 坡度 和大于 。冷却水喷淋在旋转的筒壁上，对海绵铁间接进行冷却。冷却后的炉料排出后首先进 行筛分， 将炉料分成小于三个粒级。三个级别的炉料分别进行 的磁性物、磁选。海绵铁产品由三部分组成，大于 矿时，大于 的磁性物冷压块。压块以石灰和糖浆作黏结剂。三种产品的比例与矿石性质，特别是 低温还原粉化率有关。使用 左右。 回转窑废气首先通过一个沉降室进行除尘，然后通人空气烧掉残余可燃性气体。高温 速度转动。回转窑既可处理块矿，又可处理粉矿。约 ， 直径窑头 （卸料端） 较窑尾 （加料端） 稍低， 坡度为度为。 作业时， 窑体以 司流程的工艺流程。该直接还原厂使用非焦煤生产高金属化率海绵铁。回转窑长 示出了南非法为典型代表， 图即这四个开发者字头） 法及公 和、 德 国、 美 国为加拿大 使用回转窑的煤基直接还原炼海绵铁有许多方法及工艺流程，其中以（开 发 者 5 以上， 接近炉顶的小段区域 流程示意图图 原料 （粒度为的氧化球团或天然富矿）装入竖炉后在下降运动中首先进入还 原段。还原段温度主要由还原气温度决定，大部区域在 （预热段） 内， 床层温度才迅速降低。 在还原段内， 矿石与上升的还原气作用， 迅速升温， 完成 预热过程。随着温度的升高，矿石的还原反应逐渐加速，形成海绵铁后进入冷却段。冷却段 内，由一个煤气洗涤器（完成冷却煤气的清洗和冷却过程）和一个煤气加压机（提供循环动 力）造成一股自下而上的冷却气流。海绵铁进入冷却段后在冷却气流中冷却至接近环境温 度然后排出炉外。 与约 ，加压送入混合室与当量天然气混合均匀。混合气首先进 还原气使用天然气经催化裂化制取，裂化剂采用炉顶煤气。炉顶煤气含 。 经洗涤后， 约 及 入一个换热器进行预热。换热器热源是转化炉尾气。预热后的混合气送入转化炉中的镍质 催化反应管组，进行催化裂化反应，转化成还原气。还原气含约， 温度 。为 小于 剩余的炉顶煤气作为燃料与适量的天然气在混合室混合后送入转化炉反应管外的燃烧 空间。助燃用的空气也要在换热器中预热，以提高燃烧温度。转化炉燃烧尾气含 高温尾气首先排入一个换热器，依次对助燃空气和混合原料气进行预热。烟气排出换 热器后，一部分经洗涤加压作为密封气送入炉顶和炉底的气封装置。其余部分通过一个排 法生产流程。示出了以上。图 法，其生产能力约占直接还原总产量的等法） ， 其中典型的代表是 气基直接还原有多种方法（ 气基直接还原法工艺简述 ， 回收蒸汽锦铁约消耗还原煤。 净能耗约为 燃气通人一个余热锅炉回收物理热生产蒸汽。最后，再经过进一步净化排到大气。每吨海 6 ； 第二步的作用方法。第一步的作用是加热矿石并把矿石预还原，一般还原到 烟机送入烟囱， 排人大气。 熔融还原法生产工艺简述 熔融还原工艺有一步熔融还原法和二步熔融还原法。二步法是用两种方法串联操作的 是补充还原和渣铁的熔化分离，最后得出铁水与炉渣。二步熔融还原法有回转窑电弧炉 双联、 悬浮法 电炉双联、 流态化熔融气化炉双联等。竖炉 熔融气化炉双联竖炉双联、 竖炉 法是预还原采用竖炉，铁矿石预还原度可达以上。熔融气化炉兼有制造还原气及熔化 万和万 组成所谓的 工艺流程示意图 工艺、 还原预还原料的作用， 这是比较理想的两个还原反应器的配合。 具有能耗低、 工艺合理、 技 术成熟度高的优点， 但是精矿需要造块， 目前有多种方法在发展中如 工艺已经建成年产工艺等， 其中 工艺流程。 的生产设备， 是现在发展最快的 工艺流程见图 炉工艺不同， ， 它与传统高 流程中铁的还原和熔炼 过程是在两个不同的容器中完成的。这两个 塔。 容器分别是上部的竖炉和下部的熔炼造气炉， 流程可使 的海绵铁。海绵铁 用天然矿、 球团矿和烧结矿等块状含铁料。 燃 料为非焦煤。熔剂主要是石灰石和白云石。 原燃料经备料系统处理后， 分别装入矿仓、 煤 仓和辅助原料仓， 等待上料。 矿石和部分熔剂 按预定料批装入还原竖炉， 在下降运动中完成 预热和还原过程。降至竖炉底部的矿石已被 还原成金属化率大于 和熔剂通过海绵铁螺旋加入下部的煤炭流 化床。 图 的熔炼造气炉是一个煤炭流化 床。 它有两个作用， 将海绵铁熔炼成生铁及产 生还原竖炉需要的还原气。煤炭流化床的燃 料是非焦煤， 通过煤螺旋自密封加煤料斗加入 炉内。助燃剂使用工业纯氧。煤与氧燃烧放出熔炼和造气所需的热量。熔炼过程形成的渣 铁积存于炉缸底部，等待排放。燃烧和气化过程形成的煤气自炉顶连续排出，进入煤气处理 系统。 供氧系统主要由制氧机、管道、围管、风口和氧枪组成。氧气经围管自风口吹入煤炭流 化床， 参加炉内煤炭的燃烧反应， 放出热量， 形成煤气。 以上， 的煤气处理系统主要由煤炭流化床炉顶煤气热除尘、清洗冷却和还原竖炉炉 顶煤气清洗三个部分组成。在煤炭流化床中形成的煤气自炉顶排出时温度在 兑入冷却煤气降温后通人一个热旋风除尘器进行粗除尘。粗除尘收得的粉尘用高压氮气重 新吹入煤炭流化床回收利用。为了调节炉顶温度，可使用少量氧气烧掉粉尘中的可燃物。 7 半净煤气分为两路，一路作为还原气送往还原竖炉。还原气人炉温度在 基础自动化系统有种形式 左右， 温度可 通过兑入的冷却煤气进行调节。另一路经进一步清洗形成冷却煤气。冷却煤气的一部分经 加压后返回炉顶煤气管道以降低煤气温度。冷却煤气的过剩部分则向外输送给煤气用户。 还原气进入竖炉后向上流动，对矿石进行还原，然后自竖炉炉顶排出。经过清洗的竖炉炉顶 煤气与过剩冷却煤气一起作为外输煤气输送给用户。 的渣铁处理与高炉类似。熔炼造气炉不设渣口，渣铁分离后铁水装入铁水罐， 由罐车运走。炉渣则流入渣坑。 炼铁生产信息化、自动化系统的构成 基础自动化系统的构成 电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能分别由不同类型控制器进行控制 图宝钢号高炉大修工程三电控制系统配置 供辅助设施，供热风炉，与装入控制之用，共约供煤粉喷吹。 的执行，所示 （电控由日本安川公司生产的形式。如图供原料 8 台设置为 服务器。主环网和级联网均为 是用总线， 中控室的台 台据， 连接到网络的， 可以利用 ， 而另外 据交换的稳定性和同步性）就是典型例子，也表明全 的场合，目前已在大高炉得到越来越多的应用。 形式的系统过去主要用于小高炉 与间数以减少网络负荷和增加速度， 保证 的网络功能将其中的两台设置为互为热备的 数台共享某几台按工艺机组分为两组， 每 相连工业光纤以太网，网中远程站与 台工程师站，工业交换机台软件包的人机台配置 型司台套西门子公司的高炉三电控制系统 （整个系统包括 所示的形式的系统并成为一种潮流， 图年投产的天津钢铁公都纷纷使用全 系统并投产后， 近来建设或大修的大、 中、 小高炉高炉使用全号山冶金公司 要低， 故在上海梅也大力发展仪表连续调节控制功能，且由于其价格比式。由于 形进行控制的全电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能都由 高炉三电系统硬件配置图上钢一厂 形式。炉、 宣钢高炉的自动化系统都是全 所示的原上钢一厂号高高炉三电控制系统就是典型例子，其他如宝钢等； 图 、 德国西门子公司的控制系统、美国贝利公司的控制系统 ） 公司的控制，如美国西屋 （顺序控制功能与仪表连续调节控制功能均由 主要作为回路控制之用，其后大力发展电气逻辑顺序控制功能，使电气逻辑式。过去， 形进行控制的全电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能都由 路控制所需，设备要简单些。缺点是电控和仪表设备不同，备件要多些。 自采用最合适的控制装置，且电控用的专作为顺序控制等功能而不必顾及较复杂的回 传输速度为点。点，） 是最典型的例子， 优点是电控和仪表各 共约监视控制站，点，点，点， 其中为煤粉喷吹控制站。 为温度为出铁场／重油喷吹控制站，为热风炉／余热回收／送风控制站， 执行，生产的为高炉本体控制站，控制站，为高炉炉顶／煤气清洗／ 点，点，点， 其中点，点，点。仪表由日本横河公司 9 通用控制站和用作电气逻辑顺序 图天津钢铁公司高炉三电系统硬件配置 ）电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调节控制功能都由工控机执行的工控机形式。 联网， 生产与 形式。 这种方式特点是低成本，过去主要用于小高炉（如安钢水冶号高炉） ， 但近来由于工控机的 支持软件的进展， 如美国 （如西门子公司的 等公司生产的许多工控机支持软件使工控 并能执行电气逻辑顺序控制功能与仪表连续调机能使用商品 节控制功能以及监控功能等，而大大扩展它的使用范围和方便性，为其在大型高炉上应用创 造条件。 上述四种形式的基础自动化结构，各有优缺点，至于利用哪种方案还需按具体情况来 定， 包括炉容、 技术要求、 工厂的自动化装置情况、 备件、 对那种设备熟识的程度、 维护力量、 投资多少等， 从表 形式， 为使国、 卢森堡 （后两者表 中可以看出各种形式都有采用， 但国外大型高炉， 包括韩国、 日本、 德 未列出） 都是采用 共同组成的 厂家大都彼此协调和采用开放式网络，例如美国霍尼韦尔公司的仪表连续调节控制器 控制系统、 日本横 共 系列 与日本安川公司的电气逻辑顺序控制器 与日本安川公司的过去的网络是 连铸系统，彼此要分送过程计算机进行通 信）。美国霍尼韦尔公司更生产本身包括能进行仪表连续控制和电气逻辑顺序控制的 顺控站， 故事实上还是 控制系统， 但它包括用作仪表连续调节控制的 控制的 与美国公司的电气逻辑顺序控制 河公司的仪表连续调节控制器 同组成的控制系统等 （日本横河公司的 难以直接连接的，像在宝钢二期工程的 简况表高炉三电系统配 10 续表 11 过程自动化级的构成 过程自动化级的构成也有四种形式 单机集中控制型。过去由于设备昂贵，且高炉是较缓慢过程，其操作的关键问题包 括关键监控功能，在基础自动化大部分获得解决，过程自动化级包括数学模型大都是操作指 注设计及投产时无数学模型。 国外高炉三电系统配置 续表 12 号高炉容积都超过号、 台过程计算机承担过程自动化级全导形式，此外硬件和支持软件能力也有限，故都是采用 部功能， 包括数据采集、 数据处理和技术计算、 数学模型运算、 监控、 操作值设定、 数据显示和 号高炉， 马数据记录等。采用这种结构的有宝钢一期的号高炉， 武钢号高炉、 二期的 钢高炉， 唐钢号高炉， 攀钢号高炉等。这种形式的优点是结构简单，加以工 控机的能力、运算速度都大大增强，故今后，特别是一些中小高炉预计还会使用这样的方式。 ）双机集中控制型。由于高炉大型化，如宝钢号、 ， 操作稍有不正常， 损失就很大， 过程计算机的功能越来越多、 越来越重要、 数学模型 也趋向闭环 （如奥钢联的专家系统） ， 许多数据不容丢失， 加之中型计算机的价格也在下降， 年点火） 、 大修后重新点火的 元和 系列 示出了上钢 数据库， 独立运行各自的程序， 互不干扰。 当一台工作 故集中型大多是双机集中控制形式。采用这种结构的有宝钢的号高炉 （ 高可靠的二重化结构， 包括关键的号高炉。如图 网二重化、过程计算机双机系统、 控制单 可互为备用等。过程计算机的功能包 括 原料料仓数据处理、 称量和装入数据处理、 热风炉数据处理及模型、 出铁渣数据处理、 工 艺设备管理、 高炉本体数据处理、 喷煤过程数据处理、 报表处理、 画面显示及输入处理、 系统 大屏幕显示装置） 所示， 两台过程计算机 （惠普 外部数据通信处理、过程数据输入输出处理、高炉数学模型、日以上数据处理和人工智能等 子系统及根据计算式集、系统应用公用子程序集和各子系统公用子程序集等进行计算或编 制等。它采用 互相之间用监控器相连，采用镜像磁盘，分别与以太网和服务器， 内存 连，备用机时刻监视主机，一旦主机故障，系统就自动切换到备用机上。 台西门子工控机） 、 上钢一厂号 分散控制型。即过程自动化级的功能由多台计算机分担，采用这种结构的有梅山冶 高炉高炉等。 图金公司的 站承担高炉本工作站承担原料上料数据管理功能，一厂 站承担铁渣数据管理功能， 高炉三电系统配置。 体数据管理功能，站承担热风炉数据管理及打印机管理功 台工作站拥有独立的 （能。 个基本 站需要对另一工作站的数据库进行查询时可远程登录另一站的数据库，并不影响另一站的程 序运行。 每台工作站前台运行画面程序， 进行人机接口， 后台运行应用程序， 进行数据采集、 处 理、分类入库、查询等并定时生成打印报表数据。这种配置的特点是由于整个系统由 ， 内存 独立子系统组成， 相互关联很少， 其中一台故障， 不会造成整个系统瘫痪。 此外， 一台 工作站 （， 硬盘 数据库，画面与报表的开发工具采用 ） 的性能已高于 服务器 （ 是以后如要开发管理级计算机，由于要从 ）客户机 公司的 台高性能 型的例子。服务器采用 机采用机， 配 用 为一个成熟的数据库系统。于整个网络的维护与管理。 报表较为容易。整个系统只有 的编程语言，是一种面向对象的编程语言，它支持对多种数据库的调用，用它来开发画面和 个数据库， 运行于服务器上， 整个后台应用程序 （包括原料、 上料数据管理功能、 高炉本体数据管理功能、 铁渣数据管理功能、 热风炉数据管理功能等） 也 ， 操作系统为，数据库系统采用 （ ，应用程序与数据库的接口采用 ， 价格却便宜了许多 （如果采用工控机， 价格要更低） 。 缺点 个独立的数据库中提取数据， 略嫌麻烦。 高炉是典型。图 操作系统， 客户 所示的昆明钢铁公司 公司的 ， 画面与报表开发工具采） 彩显。 数据库采用 操作系统安全性好， 性能稳定， 采用图形化用户界面， 有汉化版本， 易 不同于过去的面向过程 级 相 13 炼铁生产信息化、自动化的发展、现状和趋势 高炉生产信息化、 自动化的发展、 现状和趋势 高炉生产信息化、 自动化的发展及趋势 运行于服务器上， 进行数据采集、 处理、 分类、 入库等。 画面程序运行于台机 （客户机） 上，向数据库服务器提交查询与修改请求，由服务器执行后，向客户机返回执行结果。报表 机向数据库服务器提交查询请求，得到查询结格式存于机上， 当需要打印报表时， 由 结构， 造价便宜， 易果后，生成报表，在打印机上输出。该系统采用当今流行的 于扩展。数据库比较流行， 开发与维护都较为容易 （如果采用微软及开发工具 规范， 开发将更为容易） ， 在此基础上开发管理机也较为容 易。另外现在硬件技术提高了，硬件故障率极低，采用 系统安全性要求极高，经济许可的话，也可增设 台服务器即可满足要求。当然如果 台备用服务器。因此可以认为 型是现阶段比较适合于大中型高炉过程计算机的体系结构。 高炉三电系统硬件配置昆钢图 高炉可以说是最早开展自动化的机组，远在年英国人詹姆士 瓦特发明蒸汽机及 其调速器，不久就有人把蒸汽机作为拖动鼓风机动力源连同调速器一起用于高炉，此后陆续 有些简单仪表和电控装置，但真正使用自动化技术和装置是在第二次世界大战前后，当时自 动化主要是指过程量（热工参数）的检测和控制，即使用仪表作为保证生产正常和节约原料 为目的的热管理并使用一些单回路控制器，电气传动则只是远距离控制和继电器联锁，以后 才作为上料、配料等控制，至此自动化实质上包括仪测仪控和电气传动两大部分，但彼此是 分立， 很少关联， 随着技术进步， 仪表方面发展为电气的、 气动的和液压的多种技术， 并为统 一信号而转向单元组合形式； 在电气传动方面则由于器件进步， 由继电系统， 简单调节， 进而 的 14 年代末日本人在新日铁君津厂实现全会提出， 提出分级计算机系统且在英国 纪 执行 ） 的出现， 也逐渐代替模 更发展成 为使用交磁放大机、磁放大器、快速磁放大器、晶闸管。在控制电路方面，其元件由电子管、 晶体管、 磁逻辑元件、 固体逻辑元件、 固体逻辑电路， 大、 中小规模集成电路、 分立元件计算 机、 大规模集成电路计算机和微型机等， 国内高炉也经历了这样的系统和技术变化， 如 年代以前的高炉是硬线逻辑顺序控制系统， 世 年代末，首钢使用磁逻辑元件上料系 统， 年代初才使用上料系统， 其后攀钢等厂使用计算机控制上料， 直到 年代中，上海梅山冶金公司的高炉首次使用由锗晶体管构成的分立元件逻辑电路的 年代末 上料控制； 回路控制方法则由单回路算法， 发展为串级、 超驰、 前馈、 滞后补偿以至运用 现代控制理论的自适应、 卡尔曼滤波、 自校正、 最优、 状态空间、 多输入多输出、 协调控制以至 具有复杂数学模型等控制方法。由传统的模拟技术转为数字技术，由古典控制理论转为现 代控制理论，由传统的物化现象非电量电测法转为新的如激光、超声以及各种新的物化现象 组成仪表，并发展为机电一体化的测量技术与装置，使高炉许多过去无法测量的参数得以解 决，这些新装置有炉身、炉喉、软熔带探测器和垂直探测器，料面温度和形状等。 年钢铁工业首次利用电子计算机，最开始也是用在高炉，当时只作数据解析、显示、 打印报表，以后把工艺过程数模化，并作为操作指导和设定，也有用计算机作为直接数字控制 ， 如世纪 年代中期英国出控制， 导致仪表、 电控和计算机的紧密结合， 出现初期的 年代日本把计算机用于上料、配料等），由于计算机需要更多的信息和输 一体化系统。 ） 第二次厂实现， 并在国际自控联 （人 的雏形） ， 形成管理、 控制一体化系统。 系统，至此确立了多级计算机系统 年代中数据大道出现， 微型机工业化， 以微机 控制， 另一方面，为核心的 ， 我国称之为集散系统， 近来称为 发展， 代替传统的硬线逻辑系统， 至此电力传动逐渐改用 可编程序过程控制器 （简称 年代初已发展成为功能齐全、 抗干扰能 达数万小时， 使用面向用户语言， 具有带 拟式仪表作为数据采集和自动控制之用。到 力 高、和连接打字机功能； 算法、 限位等， 它还开发了操作员 以上） ， 显示功能极强， 可分级显示， 包括全貌、 区、 组和回路 有近百种模块， 供过程量控制和处理， 如开方、 滞后补偿、 操作显示装置， 其内存较大 （ 等四级， 易于显示工艺流程的参数以及易懂、 易看、 易解析的画面。 今天钢铁厂的自动化系统 作， 以大型图像监视器 （ 已不再是模拟仪表盘、 继电逻辑系统和许多操作台的分散控制了， 而是基本上在中控室集中操 ） 监视全厂情况， 厂长也可以直接在厂长室甚至在家中 （通过拨 号） 监视生产情况或发指令和开电视会议， 计划也可由上位机下达， 由计算机控制与组织生产 而达到高效、 高产、 高质、 低耗的综合管理控制一体化系统。 系 由于计算技术的进步， 使大规模处理工作得以进行， 冶金理论、 控制理论、 机械制造技术、 图像处理技术等的进步， 使常规控制可转为模型控制、 智能控制， 常规数学模型又进而由控制 模型扩展为模拟和预测模型、 安全模型、 控制模型和其他一般模型的多目标控制和操作指导并 与智能控制结合而成多科学交叉的模型和控制方法， 智能控制则除了模糊控制、 专家系统、 神 经网络外， 更进而使用遗传算法， 专家系统更进入闭环控制阶段 （如奥钢联的高炉 和 统） ， 使高炉进入第三代操作。 数学模型、 传感器和测量技术的进步， 使密闭的高炉成为可视化 的高炉， 设备诊断技术的进步， 不仅可实行全厂监测， 而且可使用人工免疫系统使设备更长寿。 高炉自动化已包括基础自动化、 过程自动化、 管理自动化， 成为全公司（网络集 成制造系统） 的一部分。 15 （ 基础自动化 中国 数据采 集 ， 处 理 ， 显 示 与 打印 ； ） 上 料 ， 配 料 等 顺控 ； 热风炉换 炉 顺控； ） 顶 压 ， 风 温， 热风炉燃 烧 等 热工 参 数控制； 喷煤等控制； ） 煤 气 清 洗 ， 水 渣 ， 水 处 理 等辅 助 系统控制 ） 熔 渣 数据采 集， 处 理， 显 示 与 打 印 ； ） 上 料 ， 配 料 等 顺 控 ； ） 热风炉换 炉 顺 控 ； ）顶压，风 温，热风炉燃 烧 等 热 工 参 数控制； （ 喷煤等控制； ） 煤 气 清 洗，水渣，水 处 理 等 辅 助 系统控制； 水 比例控制； ）出铁各机 械吹笛控制； ）风口风量 分配控制 代炉龄数据库 日本 过程自动化 ） 数据采集， 显示与打印； 理 ； 原料料仓数据处 ）称量和装 入数据处理； 及模型 热风炉数据处理 ） 出铁 渣数据处理； 工艺设备管理； ） 高炉本体数 据处理；喷煤 过程数据处理； ）数据通信； 高炉数学模 ） 技术计 ） 一 ） 人工智 能系统； 型 算 制； ）数据采集， 显示与打印； 理； 原料料仓数据处 称量和装 入数据处理； 及模型 热风炉数据处理 ） 出铁 渣数据处理； 工艺设备管理； 高炉本体数 据处理； ） 喷煤 过程数据处理； ）数据通信； 高炉数学模 ）技术计 ） 一 ）人工智 能系统； 代炉龄数据库； ） 料柱透气性 及下料速度控 ） 热风围 管噪声控制 型 算 功能为 准管理； 编制； 人。 表 国内外高炉生产自动化的现状 管理自动化 或 （生产控制级） 形式， 制造标 ） 作业计划 计划管理； ）生产指令生成及 ）生产实绩收 ）质 量管理及质量跟踪； ）生产成本的实时 生产设备运 调 ） 生产监视、 技 其 他，如考核指标管理、 煤焦场管理、有关领 导远距离查询和监 控等 或形式 ） 生 制造标准管理； ）作业计划编制； ） 计划管理； 产指令生成及下达； ）生产实绩收集及 生产统计； ） 生 质量管 理及质量跟踪； 产成本的实时控制； ）生产设备运行状 况 监 视；）调度； ）生产监视、技术 数据分析；）其他， 如考核指标管理、 煤 焦场管理、 有关领导 远距离查询和监控 等；出铁场管理； 从高炉到轧钢的 公司计划 专 用 仪 表 炉顶煤气成分分析； 炉身静 风口前端测温 ） 铁水温度 （红 模型 ） 炉热模型 ） 布料模型； 风炉流量设定模型； 带推定模型； 型 下达； 集及生产统计； 控制； 行状况监视； 度； 术数据分析； ）料面温度热成像及料面 形状及炉喉上空间观测； 焦炭中子测水； ） 炉喉十字测温 炉身砌体 人工智能系统有） 铁 ） 风 口 炉 压； 身水平探测器； 烧损测量； （红外或水套前电偶） 口及冷却壁检漏 支管流量 外或电偶） 及硅含量； 喷吹煤粉单支 数模与人工智能 模 型 种方式） 布料模型； ）热风炉流量设定模型； ）炉 ） 高炉操作预 ）热风炉操作预测 ）喷煤高炉炉况控制 模型； ）炉况综合判断系统等。 从芬 兰 （武钢， 本钢， 首钢） 和奥钢 联 （攀钢） 引进的高炉专家系 统；）国内开发的专家系统 及神经元预测铁水含硅量和 炉况等；基础自动化的回 路控制使用模糊控制算法等 模型； 种方式） 及动 作模型 ） 热 ） 软熔 炉底侵蚀模 ）高炉操作预测模型； ）热风炉操作预测模型； 喷煤高炉炉况控制模型； 高炉一维静， 动态模型 铁水高炉二维静态模型； 含硅量预报时间序列模型； ）铁水含硅量一维动态预 报模型； ）铁水含硅量和炉 热一维准动态预报模型； 高炉三维气体流动模型； 高炉设备维 修信息系统。人工智能系统 ）炉热及炉况预报及控 炉热预报神 ） 热风炉模糊控 原料矿仓计划专家系 ）水渣脱水槽分配专家 ）从高炉到轧钢生产 控制专家系统 水 重 量； 管流量计 炉顶煤气成分分析； ） 料面温度热成像及料面 形状及炉喉上空间观测； ） 炉身 炉喉十字测温； 炉 ）层厚仪； ）焦炭中子测水； 静压； ）炉身水平探测器； 身砌体烧损测量； 前端测温 （红外或水套前电 风 口及 冷却 壁检 ）风口支管流量； ）铁水温度（红外或电 ） 铁水重 喷吹煤粉单支管流 ） 纤 ） 炉身 上部， 下部， 炉腰， 风口探测 器； ）软熔带探测器； ）炉内煤气流速仪； 风口电视及循环区摄像； ）其他如炉体微压振动 仪， 炉顶炉料粒度仪， 熔渣 流量计等 偶 ） 漏 ； 偶）及硅含量； 量； 量计； 维镜垂直探测器； ） 风 ） 风 口 数模有 ） 炉热模型 及动作模型 软熔带推定模型 底侵蚀模型； 测模型 模 型 ； 模 型 ； 系统； 有 制专家系统； 经元系统； 制； 统； 系统； 高炉生产自动化的现状见表 高炉生产自动化的现状 系统， 把岗位人员由人降为 家系统，把最难实现自动化和岗位人员最多的出铁场研制了一人操作多个机械的声音控制 无人化， 其 号高炉应用专家系统操作已实现连续两周无人自动操作，新日铁也在改善其专 总之， 高炉自动化的趋势是迈向 “无人化” ， 这并非梦幻， 日本钢管公司的烧结厂已实现 16 续表 17 续表 18 续表 19 ， 轧机 ， 轧 机 自动化如 从表可以看到发达国家的高炉自动化水平，初步看来我国高炉自动化水平已走进 国际先进水平， 然而除基础自动化外， 差距仍然很大， 主要表现为 普遍性、 功能和功能投入 率的差距， 特别是数学模型方面。 中国钢铁协会统计， 计算机控制采用率基础自动化为 高炉 ； 过程自动化为 高炉 ；管理自动化为高炉 ， 轧机。这仅是计算机控制采用率，就是基础自动化在功能 以及功能投入率仍有差距，例如在热风炉燃烧控制，比利时等欧洲国家大都是增强型自动化 系统， 即包括废气温度控制和残氧控制， 国内则很少热风炉设有这样的系统， 再则国内热风炉 还不少是人工换炉，就是设有自动换炉系统的热风炉由于难以做到无波动换炉而只能半自动 换炉。 在过程自动化级方面差距更明显， 除宝钢设有较完备的数学模型， 以及如武钢、 鞍钢等 大型钢铁公司有部分模型外， 大多为没有数学模型的一般监控， 这样就无法起到优化作用。 至 于人工智能除从芬兰引进的专家系统外，大都功能很弱，就是从芬兰引进的专家系统由于操 作、 原料等不同， 且只引进部分 （没有引进包括多个模型的监控系统） ， 故效果有限。 至于管理 系统则还在起步阶段， 而且大多为性质， 很少有有效的业务模型。 过程自动化基础自动化 澳大利亚 数据采集， 处理，显示与打 印； ） 热 风 ） 上料， 配料 等顺控； 炉 换 炉 顺 控 ； ） 顶 压 ， 风 温 ， 热 风炉燃烧等热工 参数控制； 煤等控制； 气清洗， 水渣， 水 处理等辅助系统 控制， 另设有热风 环管压力与炉顶 压力差压控制 加拿大 数据采集， 处理，显示与打 印； 热风 ） 上料， 配料 等顺控 炉 换 炉 顺 控 ； ） 顶压， 风温， 热 风炉燃烧等热工 参数控制； 煤等控制； 气清洗， 水渣， 水 处理等辅助系统 控制 炉热预测和控 制，炉缸渣铁液面 管理，异常炉况预 报和控制，炉体 管理 监控， 高炉操作 效果分析 ， 连铸 ， 连 铸 ， 连 铸 喷 煤 喷 煤 专 用 仪 表 炉喉角钢保护的 无冷却水的轻型十 字测温装置，激光 雷达风口探测器， 激光料面仪，激光 焦炭粒度仪 高精度炉顶煤 气成分分析等 碳比 续 表 数模与人工智能 高炉二维综合模型； 炉顶布料模型 高炉专家系统 以动态物料 平衡和热平衡为基础的高炉操 作指导模型； 直接还原图（ 两段式物料和热平衡模型 ， 转 炉 ， 转 炉 ， 转 炉 ， 电炉 ， 电炉 ， 电炉 形式或 形式等 管理自动化 20 年代才进行， 特别是熔融还原炼铁还