一、研究的背景与问题

2019年世界粗钢产量达18.70亿吨，我国粗钢产量达9.96亿吨，占世界总量的53.3%。我国钢铁行业快速发展，消耗了大量的矿产资源，仅烧结工序综合能耗占吨钢10%，而且多形式的能源消耗总量也在持续上升，钢铁行业的节能降耗工作日益艰巨。而国内烧结生产原料种类多，物化性能波动大，主要依靠熟练操作工的经验来调节和控制，影响了烧结生产的稳定和优化控制。由于钢铁企业普遍对烧结工序的重视程度不足，烧结仅是作为钢铁企业中的附属工序，导致烧结工艺技术和装备水平的提升缓慢，烧结工序成为了工艺技术发展滞后、智能化装备水平低、工序能耗高、现场作业环境差的关键环节。

莱芜钢铁集团银山型钢公司炼铁厂（简称型钢炼铁厂）400㎡烧结机于2010年1月建成投产，采用莱钢电子自主研发的专家控制系统，配套了部分自动化控制装备、过程参数检测装备，初期装备水平、工艺技术条件处于行业前列，已生产运行十余年，尚未进行大规模的软、硬件技术改造升级，导致整个系统中影响烧结过程的关键参数选取不全，关键控制参数仪表不能精确、连续在线监测，烧结理论和控制逻辑陈旧，已经不能很好的指导实际烧结生产。开展烧结过程的系统分析和深度挖潜，在烧结过程智慧控制、大数据应用、持续节能降耗方面，有待进一步提升。因此，对于莱钢而言，提高烧结工序工艺技术水平，提升装备自动化水平，降低烧结工序能耗，实现烧结生产智慧控制及大数据应用已变得迫在眉睫。

基于以上原因，莱钢公司引进了和钢科技股份有限公司率先研发科技成果，建设莱钢400m2烧结机智慧烧结过程管控一体化平台，以加快推动山东省钢铁产业提质增效和节能减排、绿色发展。

二、解决问题的思路与技术方案

采用和钢科技智慧烧结过程管控系统(简称WSPCS)，综合运用物联网技术，将大数据、互联网、人工智能等技术与烧结生产工艺、过程控制深度融合，建立原料基础性能、制粒水分与原始料层透气性的关系模型、烧结过程固体燃耗消耗技术模型、烧结过程状态参数软测量模型、混合料仓位模糊控制模型、烧结过程风量模拟模型、烟道气体流场模拟模型等数据模型，采用专家控制、模糊控制和预测控制相结合的方法，全面提升烧结过程智慧管控水平。

图-1 WSPCS系统模型

图-2 WSPCS系统控制逻辑

WSPCS作为烧结生产控制的中枢，主要是实现烧结工序工艺技术及烧结过程的智慧管控，实现从动态配料、加水混匀、布料、点火、烧结过程、冷却、质量跟踪的全流程监控管理。

二、主要创新性进展

1、建立和完善建设莱钢400m2烧结机智能烧结产线

莱钢与和钢科技公司合作，根据智慧烧结管控系统工艺需求，对莱钢400m2烧结机产线进行智能化改造升级，增设了混合机智能加水设备，烧结机自动布料设备，单点、多点热电偶全温度场在线检测设备，风量自动匹配优化设备、物料平衡在线检测设备、机尾热成像在线检测设备等等，并集成至WSPCS系统，并与WSPCS系统中央数据库链接形成远程闭环控制。

（1）自动加水系统

结合物料变化情况建立原料基础性能、制粒水分与原始料层透气性的关系模型，采用预测控制算法、混合料料温反馈、烧结过程状态反馈确定适宜的混合料水分，根据原料动态跟踪及水分离线检测结果，对水分检测值进行在线修正，结合反馈控制算法，实现混合料水分的准确控制，从而达到理想的混匀和制粒效果，保证烧结过程良好的透气性。

图-3 自动加水控制逻辑                 图-4 自动加水系统画面

（2）自动布料系统

烧结机自动布料系统，通过测厚仪、液压油缸、温度场检测、机尾红外成像形成闭环控制系统，确保机尾断面终点位置均一稳定，结合布料活页门对应的料层厚度、终点位置偏差情况，周期性自动测算最适宜料层厚度，合理调整活页门开度，匹配料层压入量，消除台车宽度方向上的布料偏差，保证机尾红层厚度均匀。

图-5 自动布料系统画面          图-6 机尾热成像系统画面

（3）终点优化控制系统

烧结终点优化控制模型，考虑料层随烧结台车移动的动态特性，建立烧结过程状态参数TRP、BRP、BTP软测量温度场，通过TRP、BRP和BTP三个废气温度特征点进行烧结过程监控，采用模糊逻辑控制对主抽风机频率、各风箱开度、台车速度、料层厚度进行调节等稳定烧结过程状态，准确预判、控制烧结终点温度及位置。

图-7 WSPCS系统终点优化控制模型

（4）风箱执行器升级改造

改造关键风箱翻板为模拟量调整型，结合过程透气性，及烧结过程不同阶段的风量需求实时调整风箱风门。通过整体风量匹配优化，差异性匹配两台主抽风机，降低主抽频率，降低烧结吨矿电耗。

（5）烧结机风箱温度检测

根据WSPCS系统控制要求，特别是烧结全温度场检测的需求，各风箱增加单点热电偶50支，多点热点偶22支，全方位、多维度检测烧结过程温度场变化，及时发现烧结过程异常，实时动态调整，确保烧结生产过程稳定。

图-8 单点热电偶                            图-9 多点热电偶

（5）烧结机机尾热成像监控

新增机尾成像设备实时监控烧结机机尾烧成情况，结合烧成情况反馈温度分布，提取计算参数，通过系统模型模糊计算，形成调整指令，实时调整，提升烧结矿质量稳定性。

图-10 机尾热成像系统              图-11 环冷机料温检测设备

（6）物料料温检测

增加二混出口混合料温度检测设备、环冷机烧结矿料温检测设备，WSPCS系统根据物料温度变化，实时匹配烧结过程参数。

2、建立了远程过程控制与设备云端远程运维

2020年7月8日，借助烧结机32h计划停机检修，将所有设备合茬到位，7月9日一次投入运行成功，将现场生产状态数据引入WSPCS系统。

WSPCS系统，基于5G技术，采用C/S系统架构，将现场新增和原烧结设备采集的数据，实时传输至中央数据库，系统通过各子系统模块对生产过程进行实时分析，采用专家控制、模糊控制和预测控制相结合的方法，形成烧结生产过程调整最优方案，转化为生产参数调整指令。

系统指令由和钢科技智慧管控中心人员远程下达至现场人员，再由现场控制人员与车间岗位人配合完成参数调整，保障各指令得到及时有效落实。同时，WSPCS系统独立于型钢炼铁厂控制系统之外，互不干扰，所有设备具备就地和远程操作两种模式，正常生产时由WSPCS系统远程调节，烧结主线设备停机或异常状态时由本车间岗位人员现场就地控制，所有控制模式实行现场就地优先原则，确保异常状态下烧结生产过程安全可控。

图-12 系统网络控制架构     图-13 智慧管控中心一体化平台

四、应用情况及效果

WSPCS系统投入运行逐步趋于正常稳定，经7-8月份系统运行调试、现场岗位融合，运行效果日益显著，9-12月份烧结固体燃耗和工序能耗大幅降低。9-12月份型钢炼铁厂400m2烧结机指标完成情况如下：

1、烧结工序能耗： 9-12月份烧结工序能耗平均值49.53kg/t，较1-4月份基准值50.97kg/t，降低1.44kg/t。

2、烧结机固体燃耗、利用系数、电耗：9-12月份烧结矿平均固体燃料消耗降低至48.88kg/t，较1-4月份基准值51.93kg/t降低3.05kg/t，达到项目预设目标。其中，1-4月份烧结矿Al2O3平均值为2.06%，9-12月份烧结矿Al2O3平均值为2.09%，烧结矿中Al2O3平均水平基本保持不变。

3、烧结机吨矿新水消耗：9-12月份烧结机平均吨矿新水消耗为0.135t/t，较1-4月份平均值0.14t/t降低0.005t/t，年节约新水量约24700吨。

4、烧结机内返率：烧结机生产过程稳定性、返矿平衡稳定性提高，返矿发生量降低，9-12月份内返率为22.06%，较1-4月份平均值23.65%，降低1.59%。

5、烧结矿质量指标：9-12月份烧结矿转鼓平均值为79.56%，RDI+3.15平均值为72.05%，FeO平均值为8.59%，达到项目预设目标。

2020年9月5日-10日进行阶段性试点，烧结机满负荷生产6天，烧结机平均日产15183t，烧结机利用系数达到1.60t/（h.m2），利用系数提升4.58%，按照月总电量平均折算阶段性试点期间烧结机吨矿电耗为25.27kwh/t，电耗降低1.96kwh/t，烧结机利用系数、电耗均达到项目预设目标。2020年1-4月份及9-12月份400m2烧结机主要指标数据如下：

随着400㎡烧结机WSPCS系统的稳定运行，烧结过程状态持续稳定和优化，烧结矿质量稳定性大幅提高，为高炉稳定生产提供了一定的原料基础支持，3200m³高炉12月份生产指标达到今年最好水平。自调整喷煤结构、使用兰炭后，9、10月份兰炭比例分别占45.9%，36.9%，高炉燃料比略有上升。

表-1 3200m³高炉2020年1-4月份及9-12月份指标数据