一、研究背景与问题

球团工艺是钢铁原料制备的关键工序之一，高比例球团精料冶炼是低碳高炉的主要发展方向，且球团法是我国贫细散杂的铁矿石精选后最优造块方式，全球主流的非高炉炼铁工艺气基竖炉直接还原也以优质的氧化球团为原料。我国现有球团生产线近300条，产能超2亿吨，且球团矿占高炉炼铁原料的比例仍在不断增加。然而，现有大部分球团生产线的造球过程仍处于盲控、粗控状态，给水量、给料量、造球机转速等影响球团产质量的关键参数依赖人工经验，且现场缺乏有效的生球实时检测手段，异常情况频繁出现，导致造球生产不稳定、生产效率低、能耗高、污染严重等问题。

二、解决问题的思路与技术方案

基于上述背景及现存问题，本项目开发的高效高质智能造球系统架构如图1所示。智能造球系统架构共分为六层，基础自动化层为底层执行机构和设备，获取的数据通过数据传输层的TCP/IP和OPC协议，经PLC中转后至服务器进行处理，同时将生球粒度数据、生产控制参数等关键数据保存至数据存储层的各类数据库中。应用层的视觉检测、水料速控制等模型和算法读取相关数据处理后做出控制决策，反馈至底层执行机构，表现层负责生产数据的实时展示及人工控制参数的输入。通过数据流自低向上、控制决策流自顶向下的方式，实现造球过程的智能控制。

图1 智能造球系统架构图

本项目基于成球可控关键参数研究，开发了原料稳定制备技术、生球粒径智能识别技术、高质高效智能造球控制技术、产质量评价技术及装备，涵盖了配料混料、生球分析、造球过程控制、成球效果评价的造球全流程，实现了稳定造球及成球产质量的提高。

1、成球可控关键参数研究

造球是基于“滴水成球、雾水长大、无水紧密”的规律，将细磨物料加水润湿，在机械力和毛细力的作用下滚动而形成一定粒度生球的过程。影响造球成球率的因素复杂，主要包括原料性能、机械设备、工艺参数。从原料性能的角度分析，受原料种类、物化特性、粘结剂种类和用量等因素的影响；从机械设备的角度分析，受造球机的转速、倾角、边高、刮刀以及高压辊磨等因素的影响；从工艺参数的角度分析，受到来料量、给水量、造球时间等因素的影响。具体影响因素如图2所示。

图2成球可控关键参数

2、原料稳定制备技术

水分率和混匀度是造球原料的两个关键工艺参数，直接影响造球系统成球效果。本项目通过研究原料水分波动对造球过程的影响规律，构建了水分率合格度评价体系，提出了精矿干燥水分率适宜分布区间，为干燥过程明确了控制目标。基于铁矿原料与微波的强耦合特性，研究了不同水分率原料的脱水效率，采用湿度变异系数法，发明了混匀度在线评价系统，有效保障了造球原料的混匀效果。

为保证造球过程的连续性和稳定性，需要稳定的原料供应系统。本项目开发了结构简单、功能可靠的缺料异常诊断装置及旋转式内壁防粘结装置，通过在料仓下料口处设置的物料检测板及其连接的行程开关，实现物料料面高度及平整性的实时检测。若检测到缺料断料异常，则启动旋转式内壁防粘结装置以清除堵料，避免了缺料、断料等异常工况导致停产停机，确保了原料供应的稳定性。图3为缺料异常诊断装置及旋转式内壁防粘结装置实物图。

图3 缺料异常诊断装置

3、生球粒径智能识别技术

圆盘造球机的球盘区域可分为成核区、长球区、稳定区和出球区，本项目对比分析了在球盘不同区域分析粒径的可能性及其效果，成核区 和长球区生球尚未完全成型，分析粒径无意义。因此，本项目基于“滴水成球、雾水长大、无水紧密”的造球规律，开发了出球区、稳定区的成球图像采集与分析技术，为造球过程智能控制提供关键参数。

造球生产要求的适宜生球粒径为8mm-16mm，为了满足生产控制及现场工艺需求，需对生球粒径设置合理的分布区间，同时对各区间占比设置适宜的控制目标。基于此，本项目提出了满足控制要求的最佳粒径分段统计标准及控制目标，为造球过程的智能稳定控制提供数据基础。

针对出球区对反馈控制的滞后性及成球稳定区相对超前的问题， 本项目开发了基于机器视觉的生球粒径检测方法，通过对出球区全范围、高精度、快速图像采集，采用圆匹配分割图像分析算法，发明了出球区粒径精确识别技术，精度达±0.1mm；发明了稳定区粒径识别技术，克服球重叠交叉的难题。生球稳定区和出球区粒径识别结果如图4和图5所示。

图4 出球区生球图像分析结果 图5 稳定区生球图像分析结果

4、高质高效智能造球控制技术

成球效果取决于造球机加水量、物料量及球盘转速三个关键生产参数，现有球团生产线上前述三个参数的控制仍凭人工生产经验，导致生球成球质量差、成球率波动大。本项目通过研究水分对造球过程的影响规律，耦合出球分析的滞后性特点，开发了递变性非恒量调水优化控制技术，并结合实时生球粒径视觉检测结果，根据视觉分析得出的生球粒径的分布区间统计结果及变化趋势，确定目标加水量并形成递变加水决策，有效提高了造球的质量和效率。

造球机转速过小，物料上升达不到圆盘的顶点，将造成母球形成区间空料，若转速过大，盘内物料将被甩到盘边，造成盘心空料，甚至使母球形成过程停止。本项目开发了高鲁棒性调速调料优化控制技术，结合生球粒径视觉检测结果，分析不合格小球及大球的占比变化，以确定当前最优目标转速和给料量，有效解决原料条件异常时的特殊工况，保证造球机转速适宜，从而确保造球生产过程的稳定和高效。

为了进一步提高造球盘生产过程的效率和稳定性，实现造球盘无人值守的目标，本项目开发了造球盘大球自动剔除装置，该装置安装在造球盘出球区上方大球易聚集的位置，经过耙取、筛分、返料等步骤定时清除造球盘中的大球，并记录大球的质量及清除时间，避免大球过多对成球效果的不利影响。造球盘大球自动剔除装置实物如图6所示。

图6 造球盘大球自动剔除装置

5、产质量评价技术及装备

造球系统产质量评价指标主要包括成品球产量以及生球合格率，其中成品球产量通过皮带秤获取；成球率检测通过皮带称重计量经过筛分系统的生球，并计算返矿量及平均成球率，该方法只能获取整个造球系统的成球率而无法获取单台造球机的成球率。本项目采用基于原料与出球时空匹配的数据跟踪技术，开发了单机成球率及系统成球率软测量技术，通过对进入每台造球机的物料量、给水量进行数据跟踪，实时掌握成球状态，从而为造球管理系统数据分析及工艺水平提升提供数据支撑。同时，为了实现生球质量的在线评价，避免人工采样检测生球抗压及下落强度带来的误差，本项目采用全自动取样机器人与智能视觉定位技术，研制了生球强度在线检测装置，实现了生球质量评价的无人化。生球强度在线检测装置如图7所示。

图7 生球强度在线检测装置

三、主要创新性成果

1、开发了高效稳定的智能造球供料系统。探明了来料水分波动对造球过程的影响规律，构建了水分合格度评价体系及干燥过程最优参数制度；研发了基于全流程数据跟踪采集队列与系统建模的无称重仓位精确软测量技术，开发了在线缺料异常工况诊断系统及装置，研制了旋转式内壁防黏结装置，供料系统效率与稳定性显著提升。

2、发明了球团粒径智能识别及预测技术。研究了造球盘出球区及稳定区球团的运行规律，发明了重叠生球精确分割的粒径智能识别技术，研发了基于全流程关键参数数据跟踪队列与长短时间序列预测的粒径智能预测技术，实现了实时、实位的数字化成球，避免依赖人工经验产生的生球粒径检测误差。

3、开发了高质高效智能造球控制系统。研究了造球机可控成球关键参数对造球过程的影响规律，开发了异常工况下高鲁棒性无人值守造球控制技术，首创了基于成球工艺关键参数预测技术的智能造球无人化控制技术，实现了造球过程的精准化和无人化。

4、构建了生球产质量智能评价体系。基于来料与出球时空匹配的数据跟踪技术及全自动取样机器人与智能视觉定位技术，开发了单机成球率及系统成球率软测量技术，研制了生球强度在线检测装置，实现了全过程无人化的成球状态实时监测及生球质量在线评价。

本项目已获授权专利14件，其中发明专利13件；发表学术论文4篇；获软件著作权14项。2021年，本项目通过中冶集团科技成果鉴定，整体技术达国际领先水平。2022年，本项目获冶金科学技术奖二等奖。

四、应用情况与效果

本项目成果已成功至河北敬业钢铁、湖北金盛兰钢铁、宝钢湛江钢铁等球团工程，取得良好的经济和社会效益。目前已与中钢滨海、燕钢、越南和发等国内外多家大型钢铁企业签订合同并正在实施。以120万吨球团生产线为例，使用本项目技术后，供料稳定性、成球产质量等多项性能大幅提升，且生态环境效益显著。年产生球量提高6.1%，生球综合合格率由79.3%提高至85.6%，返料量降低28%，年节电、节约煤气折算标煤约246.9吨，减排CO2685.8吨；生球平均落下强度由5.5次提升至6次，生球抗压强度由10.1N/个上升至11.1N/个，生球粒径标准偏差由7.3%下降至2.2%，返矿量由51.75t下降至36t；现场岗位人数由11人减至4人。