基于冶金物理化學(xué)原理推動冶金企業(yè)智能制造發(fā)展

張一帆,趙顯久

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524072; 2.中央研究院,上海 201999)

在人類工業(yè)文明發(fā)展歷程中,先后發(fā)生了蒸汽機(jī)驅(qū)動機(jī)械設(shè)備的“蒸汽革命”、電的發(fā)明開啟的流水線生產(chǎn)的“電氣革命”、伴隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了“數(shù)字化革命”。目前中國工業(yè)發(fā)展階段,尤其是鋼鐵工業(yè),先進(jìn)的生產(chǎn)企業(yè)處于數(shù)字化革命產(chǎn)業(yè)階段,其標(biāo)志是生產(chǎn)線布局大量基礎(chǔ)自動化的PLC,結(jié)合控制軟件,在有人操作下實(shí)現(xiàn)較高自動化程度的生產(chǎn)作業(yè)。當(dāng)然還有較多的鋼鐵企業(yè)自動化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,比如寶武集團(tuán)某生產(chǎn)基地,煉鋼中間包噸位信息、冷軋板卷生產(chǎn)信息,由于前期投入較低和關(guān)注較少,造成關(guān)鍵生產(chǎn)信息闕如。國內(nèi)其他民營小鋼鐵企業(yè)還處于電氣到信息化的發(fā)展階段。

伴隨著人工智能的發(fā)展以及人口紅利的消失,中國鋼鐵工業(yè)面臨著基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)為載體、智能化生產(chǎn)為目標(biāo)的第四次工業(yè)革命。大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)已成功在一些領(lǐng)域展開應(yīng)用[1-2]。2018年上半年,寶武集團(tuán)韶鋼公司進(jìn)行了大規(guī)模的操作室集中歸并,拉開了寶武集團(tuán)智能化和智慧化生產(chǎn)的大幕。寶鋼股份公司寶山基地3號連鑄機(jī)諸多機(jī)器人的成功投入使用、煉鐵廠高爐集中控制中心和制造管理部生產(chǎn)運(yùn)行中心的先后投入,都為寶武集團(tuán)的智能化發(fā)展的前景提供了靈活生動樣板和可資參考案例,但如何進(jìn)一步發(fā)展鋼鐵工業(yè)的智能化,需要深入的謀篇布局和統(tǒng)籌謀劃。

本文以寶鋼股份公司寶山基地為研究對象,依據(jù)公開文獻(xiàn)闡述目前寶鋼智能生產(chǎn)現(xiàn)狀,并結(jié)合生產(chǎn)過程中控制要點(diǎn),討論智能制造未來發(fā)展方向。

1 智能化生產(chǎn)現(xiàn)狀

寶鋼股份公司初級生產(chǎn)控制系統(tǒng)是控制設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)自動化層,是寶鋼股份同步引進(jìn)的新日鐵的基礎(chǔ)自動化和過程控制系統(tǒng),在寶鋼定義為L1層。此層為人機(jī)交互界面層(HMI,human-machine interaction),是底層的生產(chǎn)執(zhí)行層。在轉(zhuǎn)爐工序,該層直接控制著氧槍位置,在精煉直接控制著合金料倉,在連鑄直接控制著結(jié)晶器振動參數(shù)。L1是最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的信息化網(wǎng)絡(luò)層,大量的高頻數(shù)據(jù),比如中間包噸位數(shù)據(jù),是時間和液位噸位的高頻二維數(shù)據(jù)。

生產(chǎn)過程中,每一爐產(chǎn)生的數(shù)據(jù),經(jīng)過篩選、甄別,去除重復(fù)和無效數(shù)據(jù)之后,進(jìn)入過程控制系統(tǒng)層,這就是L2層。從L1到L2,需要一定的通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)的上傳。不同工序之間,需要數(shù)據(jù)的交換,比如連鑄需要知道下一爐鋼在哪個工位、精煉處理多久、還需多長時間精煉可處理完畢、本爐澆注的大包是否需要降速等待前工序處理的鋼包,所以在L2層,L1向L2層傳輸,L2層也向L1傳輸。故利用L2系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)整個冶金工藝工廠級別過程控制。

當(dāng)鋼水在連鑄完成了從鋼水到鑄坯之后,若了解從煉鋼廠出去的鑄坯在熱軋的軋制結(jié)果如何,這涉及到不同工廠之間的通訊,這就是制造執(zhí)行系統(tǒng)L3。公司訂單通過系統(tǒng)向煉鋼廠下發(fā)生產(chǎn)調(diào)度計劃,也是通過L3。

公司整體經(jīng)營,不同生產(chǎn)基地單元之間的對標(biāo),這需要更深一層次的系統(tǒng),這是L4。

參照圖1,可直觀了解寶鋼股份寶山基地生產(chǎn)信息化系統(tǒng)框架。

圖1 寶鋼股份寶山基地生產(chǎn)信息化系統(tǒng)框架

1.1 操作室歸并

目前寶鋼股份公司生產(chǎn)單元的很多操作室在進(jìn)行合并改造,就是將L1操控室大規(guī)模地集合在一起。比如寶山基地有4座高爐,統(tǒng)一集中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。優(yōu)勢顯而易見,不同爐座之間的協(xié)調(diào)可直接完成,人員之間的調(diào)配可當(dāng)場實(shí)現(xiàn),人事效率提升,人均噸鋼增加,企業(yè)可以提高人員的競爭力;且由于遠(yuǎn)離生產(chǎn)一線,一旦發(fā)生安全類事故,可以避免人員傷亡。當(dāng)然對于現(xiàn)場維護(hù)或有局限,需要通過增加針對現(xiàn)場異常信息收集工作并要及時跟進(jìn)確認(rèn),將異?？焖傧?避免小異常導(dǎo)致大事故。

1.2 機(jī)器代替人

鋼鐵冶金企業(yè)操作環(huán)境雖然在持續(xù)改善,但是由于行業(yè)特點(diǎn)就是噪聲大、粉塵多,操作環(huán)境惡劣。在寶鋼股份公司寶山基地,2018年1月3日厚板連鑄機(jī)改造,投入使用4臺機(jī)器人,即受鋼包機(jī)器人、中間包機(jī)器人以及澆鋼機(jī)器人[3],分別用于鋼包的油缸、氣管、能介安裝,大包長水口及測溫取樣,以及連鑄保護(hù)渣的加入。從目前運(yùn)行來看,機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn),人員的勞動強(qiáng)度降低,操作人員從現(xiàn)場粉塵噪聲較多的操作室轉(zhuǎn)移到環(huán)境美觀宜人的中央控制室?，F(xiàn)場實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人,員工工作環(huán)境得到了改善。

1.3 無人化板卷庫

在寶鋼股份公司寶山基地,軋制出來的成品置放于成品庫,需要駁運(yùn)到碼頭或者廠外倉庫。在傳統(tǒng)的管理模式中,在庫場劃分標(biāo)記,通過庫場管理系統(tǒng),現(xiàn)場操作員工根據(jù)運(yùn)貨清單結(jié)合系統(tǒng)顯示消息,找到對應(yīng)板卷,再由行車吊運(yùn)至貨車。這個工作枯燥且重復(fù),容易出錯。為了解決這個問題,公司開始對庫場管理系統(tǒng)結(jié)合行車定位進(jìn)行改造。目前寶鋼1 580 mm無人化行車已經(jīng)成功運(yùn)行,該改造項目已經(jīng)列入工信部智能制造試點(diǎn)項目[4]“1 580 mm 熱軋智能車間”。

2 智慧生產(chǎn)的未來

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧制造,以煉鋼工序為例,結(jié)合冶金原理,討論冶金智慧化工作發(fā)展方向。

2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中,先氧化Si,再氧化Mn,之后氧化C,通過氧槍對鋼水的氧化,生成FeO,該成分融入石灰,促進(jìn)了石灰溶解,同時對已生成的Si-O四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解體,造出均勻的液態(tài)渣,完成從鐵水到鋼水降低碳含量并提高溫度的冶煉過程。在這個過程中,如何更好地造出成分均勻的液體熔渣,是冶煉出合格鋼水的關(guān)鍵。而加入冶煉石灰、輕燒鎂球、礦石等輔料時間、氧槍高度的信息,爐內(nèi)化渣情況,需要進(jìn)一步通過冶金理論,結(jié)合大數(shù)據(jù),進(jìn)行建模分析,總結(jié)輔料加入時機(jī)(時間參數(shù))、加入量(容量和數(shù)量參數(shù))及氧槍高度變化導(dǎo)致化渣情況?；梢越柚t外攝像儀,或者激光測溫儀,或者其他設(shè)備進(jìn)行檢測,并增加爐內(nèi)冶金爐渣及成分的檢測及設(shè)備。得到這些關(guān)鍵要素數(shù)據(jù),將冶煉情況、爐內(nèi)化渣情況、爐內(nèi)溫升情況及時對應(yīng)跟蹤,才可完善已有的煉鋼模型,將冶煉終點(diǎn)按照目標(biāo)成功完成。從目前看,轉(zhuǎn)爐冶煉模型以及煉鋼廠數(shù)據(jù)庫,沒有將氧槍高度、爐內(nèi)動態(tài)溫度、爐內(nèi)化渣情況納入模型,也未將上述關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)化。此外,還有轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)風(fēng)口狀態(tài)的數(shù)據(jù)化,轉(zhuǎn)爐爐襯厚度的數(shù)據(jù)化,都應(yīng)進(jìn)入公司數(shù)據(jù)倉庫,這些都是需要增加檢測手段和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),以提高現(xiàn)場管理效率,且對于提高煉鋼安全,維護(hù)轉(zhuǎn)爐狀態(tài)也是大有裨益的。

2.2 轉(zhuǎn)爐爐后造渣

以汽車板鋼種為例,轉(zhuǎn)爐冶煉完畢,在出鋼過程加入石灰,按照技術(shù)規(guī)程以500 kg/爐以上為標(biāo)準(zhǔn)。出鋼完畢,加入鋁渣,基本固定在300 kg/爐。石灰的作用除了強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐冶煉的脫硫以外,還可增加鋼包頂渣堿度,為精煉工序脫氧產(chǎn)生的氧化鋁提供吸附鋼包渣成分。按照CaO-Al2O3二元渣系相圖[5],向著CaO或者Al2O3方向移動,都會造成爐渣熔點(diǎn)升高。從冶金熔渣的物理化學(xué)角度,當(dāng)熔點(diǎn)升高后,溫度的降低將導(dǎo)致熔渣結(jié)殼,如此很難保證鋼包渣在后工序連鑄澆注中,能夠起到防止空氣氧化鋼水的作用。技術(shù)規(guī)程規(guī)定500 kg/爐以上的石灰,從相圖看是不可取的。石灰多加后熔點(diǎn)將達(dá)到1 800 ℃以上,多余的石灰也是成本的浪費(fèi)。

同時也注意到,關(guān)于精煉處理前的鋼包頂渣,從熱力學(xué)角度,應(yīng)該高堿度以吸附脫氧產(chǎn)物氧化鋁,如圖2中A位置[6],從動力學(xué)角度應(yīng)該適當(dāng)降低堿度造液體渣,如圖2中B位置。所以轉(zhuǎn)爐為了減少鋼水中夾雜物,充分吸附脫氧產(chǎn)物,目前的技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)爐次的具體情況作出相應(yīng)的調(diào)整。為此,智慧制造的方向,應(yīng)該向著按照不同爐次不同生產(chǎn)條件,以精益運(yùn)營生產(chǎn)的方式方向,基于冶金機(jī)理,再考慮到爐次游離氧、停吹溫度、停吹碳、轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)渣、下渣量,計算出轉(zhuǎn)爐鋼包內(nèi)的加入石灰和鋁渣的量,并結(jié)合冶金動力學(xué)和熱力學(xué),做到動態(tài)投入輔料數(shù)量。

圖2 適宜吸附脫氧產(chǎn)物的爐渣成分

2.3 精煉OB

現(xiàn)場生產(chǎn)由于精煉工序經(jīng)常發(fā)生游離氧低,為了避免脫碳緩慢增加精煉處理時間,操作人員經(jīng)常會進(jìn)行少量的吹氧(OB,Oxygen blowing)以提高鋼水中游離氧。精煉技術(shù)人員認(rèn)為較少的OB量,不會對鋼水的純凈度造成影響。實(shí)際上,從冶金熱力學(xué)看,當(dāng)進(jìn)行OB增氧時,氧化鋼包頂渣生成大量的FeO將直接氧化精煉處理完畢的鋼水,造成鋼水純凈度的惡化。所以為避免OB增氧,要在轉(zhuǎn)爐操作中控制好氧含量,避免游離氧低。這涉及到轉(zhuǎn)爐—精煉工序協(xié)調(diào)配合以及技術(shù)規(guī)程的改進(jìn)工作。所以智慧制造工作,應(yīng)該深入挖掘冶金機(jī)理,在數(shù)據(jù)上驗證后修正技術(shù)規(guī)程是一個研究方向。

2.4 連鑄大包氬封

連鑄一直倡導(dǎo)防氧化。日本企業(yè)如新日鐵,生產(chǎn)現(xiàn)場防氧化措施做得非常到位,從氬氣接頭的檢修更換到大包密封工作的確認(rèn),都有相關(guān)的規(guī)定并嚴(yán)格執(zhí)行。連鑄生產(chǎn)中,連鑄長水口通過吹入氬氣實(shí)現(xiàn)密封,稱之為“氬封”,以實(shí)現(xiàn)防氧化。主要是防止大包較大靜壓力下,較大沖擊速度的鋼水流從大包下水口穿過長水口,引起負(fù)壓吸入的空氣造成的空氣氧化。這種氧化極為嚴(yán)重,尤其是當(dāng)氬封流量為零時,空氣中氧和氮的吸入,將直接引起鋼水成分的較大變化,這種成分的變化是空氣氧化鋼水的直接反應(yīng)。在某鋼鐵企業(yè)[7],從大包到中間包,長水口的氬氣流量一般設(shè)置在30～40 m3/h。由于生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁發(fā)生中間包長水口注流部的前后大面有侵蝕的現(xiàn)象,為此將長水口處的氬氣流量降低到了原來的60%,中間包侵蝕情況略有好轉(zhuǎn)。但是降低密封氬氣流量,對于中間包防氧化的工作將帶來什么影響,還需要深入探索。故統(tǒng)計了該鑄機(jī)最近3年的長水口處的氬氣流量數(shù)據(jù)與中間包鋁損對應(yīng)情況,見表1。

表1 大包長水口氬氣流量分級及中間包鋁損統(tǒng)計

從統(tǒng)計的結(jié)果看,不同的長水口氬氣流量對應(yīng)的中間包鋁損是不同的。較低的氬氣,由于氧氣的分壓較高,鋁損較大。表1中,當(dāng)氬氣流量在20～25 m3/h時,鋁損最大,達(dá)到了100.40×10-4%。4個等級氬封流量,最低氬氣、鋁損最大,這在冶金理論上是有道理的;而最大的氬氣流量,鋁損也比較大。這說明最低和最高的氬封流量都將導(dǎo)致鋁損的增加。最低可以理解,由于氬氣分壓比較低,自然會造成氧分壓的增加,所以鋁損大;但是,氬氣高,鋁損也大,這需要進(jìn)一步從冶金機(jī)理開展深入探討。

據(jù)日本一博士論文文獻(xiàn)報道[8],中間包鋁損與覆蓋劑、耐材及中間包中空氣氛圍均有關(guān)系?？諝獾挠绊懣煞殖蓛蓚€方面:一個方面是關(guān)于空氣中氧分壓較低,造成的注流表面高溫鋼流氧化鋁的損失,稱之為Δ[Al]as——這是鋼水從大包流入到中間包過程中,鋼流表面被吸入空氣氧化造成的酸溶鋁的減少量;另一個方面,當(dāng)鋼流從長水口出來,由于氬氣從長水口的帶出,造成鋼水在中間包液面上的飛濺,這一過程中造成的酸溶鋁的損失,稱之為Δ[Al]aF——鋼流從大包流入中間包后由于氬氣協(xié)同效應(yīng)造成的飛濺,是由飛濺起的鋼流重新回落到中間包,造成氧化所導(dǎo)致的中間包酸溶鋁的減少量。氬氣流量影響了氧分壓和鋼水在中包的飛濺,所以分析氬氣流量的影響從氧分壓及飛濺兩個維度對數(shù)據(jù)分層分析是必要的。

該文獻(xiàn)進(jìn)一步闡述了關(guān)于氧分壓和中間包鋁的損失的關(guān)系:中間包的氣相中,氧的分壓在低于0.30%時,中間包內(nèi)吸收氧速度將正比于氧分壓;若在0.30%～10.0%,吸氧速度正比于氧分壓的2/3次方。所以在0～10.0%內(nèi),無論是較小的氧氣分壓,還是較大的氧氣分壓,吸氧速度都是跟中間包氧的分壓成正比例的函數(shù)關(guān)系。若一方面降低了長水口氬氣密封的流量,雖降低了由長水口的飛濺造成的鋁損,但是由于氬氣流量明顯減少,氧的分壓就會上升,這將導(dǎo)致有空氣氧化中間包鋁損Δ[Al]as的增加。相反,一旦當(dāng)增大氬封流量,可以直觀得到氧分壓降低,進(jìn)而減少氧氣吸附減少鋁損,但是長水口氬氣密封的較大流量將引起長水口出來的鋼液的飛濺異常嚴(yán)重,這將加劇飛濺的鋼液和空氣的接觸,從而導(dǎo)致由于飛濺引起的氧化而造成的鋁損Δ[Al]aF的增加。從表1中可以看到這個趨勢,在中間的流量是一個擇優(yōu)的取值。

從上述分析可知,為深入實(shí)現(xiàn)智能制造在冶金企業(yè)的應(yīng)用,應(yīng)將冶金原理和科學(xué)管理有機(jī)結(jié)合,所以需要加強(qiáng)兩個方面的工作:①增加數(shù)據(jù)信息。為了工藝改進(jìn),關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息需要采集、傳輸、儲存,并挖掘,采取適當(dāng)?shù)姆绞胶头椒▉硗诰蚍治?。冶金企業(yè)在諸如大包長水口氬封流量上存在采集不完善、數(shù)據(jù)存儲不到位的問題。②挖掘數(shù)據(jù)背后的冶金機(jī)理。前已敘述,必須結(jié)合現(xiàn)場完備的工藝數(shù)據(jù),結(jié)合恰當(dāng)?shù)囊苯饳C(jī)理,才能更好地為智能制造服務(wù)。

2.5 打破數(shù)據(jù)豎井

煉鋼廠的板坯去熱軋軋制結(jié)果信息,要及時做到班組級別的共享。目前熱軋軋制情況、煉鋼板坯在熱軋廠軋制結(jié)果,需要通過專業(yè)工程師在制造執(zhí)行系統(tǒng)L3查詢才可得到。熱軋結(jié)果一般當(dāng)天熱送當(dāng)天就有結(jié)果,但是這個結(jié)果需要技術(shù)人員的跟蹤,一般不能及時反饋給當(dāng)班的生產(chǎn)一線的操作人員。當(dāng)發(fā)生批量軋制缺陷時,專業(yè)工程師調(diào)查當(dāng)班生產(chǎn)操作人員,或已經(jīng)是若干天之后了。這個時候,再去尋求當(dāng)班操作對生產(chǎn)作業(yè)的反饋,得到反饋的信息是不及時也是不可靠的。相比熱軋結(jié)果的幾天可以反饋,冷軋往往需要3周到1個月得到軋制結(jié)果。若發(fā)生批量冷軋的軋制缺陷,技術(shù)人員與當(dāng)班操作人員來核實(shí)當(dāng)天的操作情況,基本得不到任何信息。且冷軋與煉鋼中間隔著熱軋工序,煉鋼廠的L3系統(tǒng)沒有權(quán)限去查詢冷軋數(shù)據(jù),當(dāng)然可以借助公司SAS系統(tǒng)進(jìn)行查詢,但是鑒于該系統(tǒng)復(fù)雜的操作性,需要技術(shù)人員的協(xié)作才可實(shí)現(xiàn)。熱軋廠的軋制歸戶到煉鋼廠軋制異常板坯數(shù)據(jù),冷軋廠的軋制歸戶到煉鋼廠軋制異常板坯數(shù)據(jù),應(yīng)該打破彼此之間的數(shù)據(jù)豎井,要做到信息的及時準(zhǔn)確傳遞,傳遞到生產(chǎn)一線的班組。當(dāng)然,軋制信息等數(shù)據(jù)如果不經(jīng)過處理,沒有以可視直觀展示也是不可取的。所以打破數(shù)據(jù)豎井之后,還要進(jìn)行智能化的報表,將相關(guān)數(shù)據(jù)動態(tài)可視直觀展示出來。

3 結(jié)論

對寶鋼股份公司,尤其是寶山基地,在簡單介紹智慧制造的發(fā)展情況的基礎(chǔ)上,對冶金智慧發(fā)展方向進(jìn)行了審視,結(jié)論如下:

(1)目前以操作室歸并、機(jī)器代人、無人化行車為代表的寶山基地智慧制造初見成果,為未來的智慧制造打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)智慧制造必定基于數(shù)據(jù)的采集、分析以及決策,所以加強(qiáng)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集是必要的。數(shù)據(jù)是智慧制造的基礎(chǔ),就目前來看,還有大量的數(shù)據(jù)采集工作需要去做。

(3)為深入實(shí)現(xiàn)冶金業(yè)的智慧制造,應(yīng)將數(shù)據(jù)與冶金原理結(jié)合,尤其是冶金熱力學(xué)和動力學(xué)要結(jié)合起來,只有將完備的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的冶金原理相結(jié)合,才能進(jìn)一步優(yōu)化工藝、指導(dǎo)生產(chǎn)、提高質(zhì)量。遠(yuǎn)程化、無人化也可以比現(xiàn)場有人操作做得更好,必須基于冶金物理化學(xué),推進(jìn)智能制造的發(fā)展。