高性能高炉自动化、测量与控制解决方案

现代高炉高效运行需要高度自动化，配合测量系统、监控和控制系统。高炉过程控制系统与优化系统结合，创造了智能高炉自动化的高水平。复杂模型与专家系统的最优交互，为工厂操作员提供全面辅助，最大限度降低人为错误风险。

高炉自动化面临的问题与挑战

高炉过程自动化、测量和控制系统面临的问题范围广泛：从过程控制中线性/非线性、单变量/多变量系统的经典控制理论问题，到操作和生产控制问题。需应用复杂操作系统，自动启停特殊程序模块（"任务"），无需操作员干预，以满足"实时条件"——计算机必须在明确定义的最大时间（截止时间）内对过程事件做出完全反应。截止时间范围从几分钟到几秒。

高炉过程自动化、测量和控制系统是高炉成功运行的主要贡献者之一，属于其经济效益的关键因素。高炉过程复杂性与对效率提升和环保要求增长的结合，迫使过程控制策略变革。过去基于黑箱原理的静态计算用于预设基本设定点，过程反馈有限。这种控制仅在过程偏离稳态操作点很小时才能给出可接受结果。因过程不稳定，微小扰动可造成显著偏离，需要设定点修正，通常采用AI（人工智能）方法。

随装料成分变化和操作实践差异，必须考虑过程动态特性，提供设定点实时重算和即时反馈。动态过程控制的前提是传感器和测量技术发展，提供过程状态实时信息。动态模型评估使从过程监督迈向主动实时控制成为可能。不同方法反映特定情况和控制理念。目前高炉过程控制系统基于动态模型，允许在线控制。基本方法是将高炉视为含水冷却的系统：输入物料和能量，发生放热和吸热化学反应，能量以水冷表面热损失和烟气显热形式耗散。

核心挑战与系统优势

成本优化运行、不妨碍负担材料选择的工艺改进、最高产品质量、达成并维持目标生产率，是先进高炉自动化、测量和控制系统的核心挑战。带精确化学目标的优化配料计算及后续闭环控制，是生产优质铁水和渣、同时降低能耗的基础。优化系统提供所有工艺参数、材料属性、生产率数据的便捷访问，包括装料信息、化学物理负担材料、过程测量，以确定生产最佳质量铁水和渣的最优条件。

高炉过程自动化、测量和控制系统是带即时在线图形信息的高精度过程控制。它提供稳定、可重复的高炉运行，保持恒定铁水质量。确保跨班次独立工厂运行，人工干预降至最低。结果是全天平稳高炉运行、设备寿命延长、生产成本降低。图1展示系统概览。

图1 高炉过程自动化、测量和控制系统概览

系统优势包括：(i)高生产率——高炉保持峰值性能运行，同时最小化电能和燃料消耗；(ii)高且均匀产品质量——铁水和渣化学性质维持在目标水平；(iii)降低燃料消耗——基于高炉热工况微调燃料率，保持铁水温度恒定；(iv)稳定、跨班次独立、最佳实践高炉运行——全天确保高效生产；(v)易于将全面冶金模型包与自动化、测量、控制系统集成；(vi)快速灵活响应需求变化；(vii)未来系统扩展可能性；(viii)投资回报极快。

系统架构与仪表

高炉过程自动化、测量和控制通常由一级自动化的PLC（可编程逻辑控制器）和HMI（人机界面）系统组成，控制所有关键过程。这些控制手段由二级解决方案（过程模型、专家系统、程序工具）补充，覆盖整体高炉操作或炼铁特定部分（热风炉、高炉装料等）。专家系统用于高炉集成二级解决方案。这一先进过程辅助系统包括高炉控制、实时数据分析和过程优化以及延迟高炉数据分析。允许操作员优化铁水生产，由知识库系统辅助，报告性能指标和产量数据。

整体过程自动化、测量和控制系统中，计算机、可编程控制器、微控制器通过局域控制网连接，最优方式执行从企业级到现场及反向的所有通信。与控制系统集成的智能电机控制系统提供分布式控制和额外维护数据，用于增加诊断和现场设备性能。

系统具备：(i)高速、开放、冗余能力网络；(ii)完整现场I/O（输入/输出）布线和设计考量，降低安装成本；(iii)最低配置HART（公路可寻址远程传感器协议）仪表及控制系统HART接口能力；(iv)资产管理系统，维护所有工厂资产含控制系统；(v)与二级应用无缝接口用于过程优化（若未在一级执行）及历史数据，二级易随一级控制平台扩展；(vi)零/一级数据存储于历史文件，供HMI或二/三级使用；(vi)过程和操作报表；(vii)操作员和维护数据/诊断系统。HART通信协议是混合模拟+数字工业自动化开放协议，其显著优势是可在传统4-20 mA模拟仪表电流回路通信，共享模拟主机系统使用的线对。

典型高炉自动化系统使用过程控制器、操作站，跨高速"Modbus plus"点对点网络集成。实现带即时在线图形信息的高精度过程控制。主要热风炉和配料优化配合防呆联锁，实现可靠安全的高炉装料和配料分布，带来稳定、可重复的高炉运行和恒定铁水质量。

高炉监测与控制功能

高炉是非常简单的反应容器，难以直接精细控制内部条件。且高炉内过程变化极慢，一旦稳定运行受扰，很难恢复正常。因此维持稳定运行需监测炉内微小变化并采取适时行动。过程计算机收集计算装于高炉各处传感器的数据，实时监测炉况。检测到可能不利影响稳定运行的变化时，输出给炉操作员行动指导。

具体而言，高炉过程控制系统的监测和控制功能包括：(i)矿石和焦炭装料控制——计算铁矿石和焦炭装料比及装料顺序；(ii)装料操作控制——设定旋转布料溜槽操作模式，实现矿石和焦炭合格圆周分布；(iii)热风炉控制——控制热风炉燃烧，稳定供应热风；(iv)炉况控制——基于各种传感器信息估算炉内状况；(v)铁水和液态渣出铁控制——控制出铁量和质量。可见高炉自动化、测量和控制系统在高炉运行中至关重要。

现代高炉安装近千个传感器。如此大量传感器用常规模拟仪表难以安装在宽阔炼铁区域。微电子学和数据通信系统（如数据高速公路）进步使分布式数字仪表成为可能。数字仪表相较模拟仪表优势：(i)构建无噪声系统，特别是电磁噪声；(ii)使用先进信号处理和高级控制功能；(iii)双重功能提高系统可靠性；(iv)CRT（阴极射线管）显示器可从紧凑控制台获取比庞大模拟仪表盘更多信息；(v)更易改进系统或功能；(vi)更易与主机系统交换信息；(vii)从增加功能角度看安装成本远低于模拟仪表。因此高炉自动化、测量和控制系统通常采用数字仪表。

高炉关键测量技术

高效高炉控制需要可靠炉内条件测量。炉下部温度可超2000°C，大多数侵入式测量技术不可靠，故大多炉内测量在料面上方或附近进行。可靠探针运行对定期支持数据处理、炉过程模型、炉运行监督系统至关重要。可靠探针帮助高炉操作员建立：(i)炉顶煤气温度分布和化学成分，(ii)物料下落轨迹、料面水平和分布，(iii)负担层堆积、混合和下降行为，(iv)负担柱煤气和温度分布，(v)风口和焦炭床状况，(vi)铁水质量和出铁操作。直接或间接量化负担分布的最重要技术包括：(i)料面上探针，(ii)料内探针，(iii)料面检测器，(iv)剖面仪，(v)垂直探针，(vi)热电偶，(vii)炉壁压力计，(viii)其他测量。图2展示高炉部分探针典型布局。

图2 高炉典型探针布局

料面上探针

料面上探针装有多个热电偶，测量料面上方不同径向位置煤气温度，提供炉内煤气流动条件信息。低渗透率区域煤气流量少，煤气温度低于高渗透率区域。因此温度读数给出炉内渗透条件信息。

问题在于料面出炉煤气到达探针前已混合，导致某些温度被低估或高估。探针需安装在更靠近料面处，但料面随工艺和产率变化难以实现。此外，流化导致料面突然升高可能损坏探针。

料内探针

料内探针通常安装在料面下方、粘结带上方任意高度。故需比料面上探针承受更高温度和磨损，通常可伸缩，仅取样时插入。测量不同径向点煤气温度和成分。测量通常比料面上探针信号更准确，因混合程度较低。但严格说，结果取决于测量时刻取样点所在层。

料面检测器

料面检测器用于获取每次倒料后负担表面高度（"料面"）信息。高炉编程为仅当料面下降超特定垂直水平时才装料。料面检测器可以是机械装置（料杆），链或钢丝末端重物下降至阻力（料面）处。现代高炉用非接触技术，如雷达系统，消除降重物进炉的时间损失。料面突然下降预示滑料，引起操作员关注。

剖面仪

剖面仪原为机械装置，现被非接触法替代，如沿水平通道移动雷达（移动探针）测量不同径向点负担表面高度。剖面仪也能估算负担下降速度。现代剖面仪雷达固定在旋转接头上，可估算3D负担表面，比单方向测量理解更深。高炉雷达非接触液位测量优势：(i)可靠测量，不受粉尘、材料成分、高温影响；(ii)装料期间高测量确定性；(iii)无磨损免维护运行。

垂直探针

垂直探针提供高炉高度方向温度和煤气成分。由不同径向位置下放至料面的缆绳组成，随固体下降拖拽至尖端损坏，因缆绳到达炉下部高温。通常测温、测压并取样煤气分析。可配摄像头测颗粒尺寸分布。腐蚀缆绳长度也指示粘结带位置。虽垂直探针提供最多炉信息，但因昂贵且需复杂给料设备，很少使用。

热电偶

高炉壁衬热电偶提供关键炉运行信息。如热电偶读数突变可指示挂渣脱落——炉壁形成的停滞凝固块。

炉内高温高压恶劣环境大幅缩短热电偶寿命，因尖端材料污染和迁移。保护常规热电偶的金属护套在1200°C以上不可行。替代护套易因加热周期中陶瓷砖膨胀收缩而断裂损坏。此外，突发泄压（"打嗝"）可致温度读数下降20-30°C持续约30秒，使热电偶信号不适合自动热风炉换向控制系统。正确安装红外测温系统可为热风炉应用提供准确温度测量，克服热电偶诸多问题。

炉壁压力计

炉壁不同点测量煤气压力。煤气流经焦炭缝隙方向水平，影响壁压。故压力信息可用于估算粘结带形状。

其他测量

高炉其他测量包括：(i)炉顶煤气压力、温度、成分，(ii)冷却水流量和温升，(iii)鼓风条件，(iv)铁水和渣变量，(v)腹部探针等，(vi)红外摄像头测负担表面温度，(vii)表面流热电偶（或微型探针）。这些测量间接受负担分布影响。

高炉使用的额外测量探针包括：(i)物料扫描探针，(ii)风口探针，(iii)取芯取样器，(iv)冲击探针，(v)铁水包液位雷达探针，(vi)炉壳电阻测量。

高炉优化核心功能

高炉优化是创新过程优化系统，将高炉自动化、测量和控制系统提升全新水平。基于经充分测试验证的基础系统的典型解决方案，确保最高可用性，高效结合数据采集、处理、可视化。系统展现可靠性和成本节约。

广泛原始数据源（前端信号、装料量、实验室数据、事件、模型结果、成本数据）贯穿工厂全寿命周期存储。提供专用工具将过程信息与分析数据和负担矩阵关联。灵活接口、模块化、可靠软件架构提供手段，易于在原料、操作理念、第三方系统连接不断变化的环境中适应和维护系统。

除坚实基础系统外，多个交互过程模型支持操作员和线路管理者日常决策。冶金过程模型使高炉过程透明。厂特定需求通常纳入这些冶金过程模型。

动态模型目的是持续显示和预测过程状态，并允许用适用工艺策略控制各种工艺参数。过程状态确定基于现场仪表检索信息。开发模型示例：(i)物料分布和特定物料区位置，(ii)煤气分布，(iii)温度分布，(iv)炉体及其部件热工状态，(v)滴落区铁水和渣化学成分，(vi)炉底液位，(vii)物料区几何（粘结带、滴落区、死人、长期热阻），(viii)炉身几何（脚手架）。开发模型具有解析、经验、启发式性质。计算周期性运行，输出为炉及其特征的几何、热力、物料状态。

预测模型基于炉输入实际数据实时仿真。模型为分区类型。建模过程包括煤气流动、物料流动、热力过程、化学过程、物理过程、几何过程。各单元炉状态由热和物料平衡确定。计算基于实验室和现场仪表信息，允许平衡闭合。模型使用基本化学反应。

通过最新数据可视化和冶金过程模型的端到端实时透明化，带来更好协作、改进工作流、减少错误，同时支持决策。甚至火焰温度和间接还原率等重要工艺参数实现为软传感器，使其与常规测量无法区分。

钢铁行业信息技术正在转变，移动访问预期超越桌面访问。HMI设计需响应式灵活，无论桌面还是新型多点触控界面。要简单，让操作员更高效有效工作。

结合不同测量和过往经验，操作员可获取高炉内部条件全局视图，识别不当炉况原因。下文简述高炉不同区域过程自动化、测量和控制。

原料场和高炉装料自动化

原料场和高炉装料自动化可从配料车系统实施至全自动传输/筛分/给料系统，为跳汰或皮带给料高炉提供矿石、焦炭和杂项材料。包括通过HMI远程创建批次配方或全自动"装料主程序"。程序跟踪物料从原料场储存仓到炉顶交付全流程，含干重误差修正和称重误差补偿，维持正确负担成分和水平。全自动系统必备组件是增加除尘系统，清除物料搬运过程产生的排放。

基于物料的装料系统允许动态分配不同物料到原料场仓位。装料矩阵仅关联可用物料而非仓位。效果是更灵活工厂运行，无需程序调整。或者也可用更复杂的常规仓位基础装料矩阵。无论装料矩阵类型，投料偏差智能补偿理所当然。原料场控制计算皮带给料高炉装料皮带上所有物料重叠可能性。连同从原料场到炉顶的全面物料跟踪功能，实现平稳高效运行。

高炉顶部装料自动化

高炉顶部装料自动化包括：(i)小钟/大钟物料输送控制系统编程及无钟顶控制，(ii)料面水平监测和控制，(iii)炉顶加压和泄压系统，(iv)润滑系统，(v)最低配置HART仪表及控制系统HART接口能力，(vi)炉顶泄压阀控制的安全可靠设计，含相关液压系统。

不同装料设备提供不同程度装料过程控制，最终决定负担分布。即使选项很少，装料过程也可能非常复杂且有时违反直觉。

无钟顶装料通常为所有标准物料分布系统提供智能分布解决方案。最常见环形分布逻辑智能版通过启用螺旋装料、整环、重量或时间分布选项改进。结果是批次间灵活和边际分布修改成为可能。点状和扇区装料提供灵活简便机会，在苛刻高炉条件下响应实际炉况。平滑自由形状分布结合环形和点状分布，对分布装置应用速度变化。该模式结合稳定环形分布与自由形状分布灵活性。

闭环负担分布控制是高炉过程稳定和降低燃料消耗的自动化系统独特功能。基于高炉炉身径向温度测量，模型计算分布模式修正以达成目标温度分布。系统支持基于常规和声学技术的料内探针或料面上温度测量。

高炉本体和炉底自动化

高炉本体和炉底自动化包括过程温度监测、趋势和报警、烟气分析、料面上和料内探针系统控制作为监测系统一部分，过程和产量计算及第三方模型提供操作指导。部分数据包括：(i)炉底和侧壁等温线，(ii)负担分布，(iii)煤粉磨制和喷吹煤粉，(iv)风口泄漏检测和热损失，(v)绝热火焰温度、渗透率、风口速度等过程计算，(vi)与二级系统数据交互（历史数据文件和过程模型）。

优化高炉运行需准确装料烧结矿、球团、矿石、焦炭、熔剂、添加剂等原料。修正装料设定点需考虑焦比、渣碱度、实际原料分析及其对高炉参数影响。此过程复杂需计算机模型辅助。配料控制模型基于优化负担成分计算装料矩阵，负担分布模型通过精确物料分布改善煤气利用率。

借助高炉优化系统，操作员拥有全流程数据完全透明。海量过程和元数据（如班次、报警、材料）通过系统生成的简明报表变得透明、可访问、可理解。智能磁贴作为玻璃门，自动显示操作员收藏应用的实时信息，即使应用未运行。发生显著偏离正常工艺参数时，相关生产数据在主屏幕"活"起来，使操作员能为形势做重要决策和采取纠正行动。

负担控制模型目的是建立精确负担成分，满足焦炭和喷吹燃料率、渣碱度、铁水质量、负担给料率的指标目标值。最终结果是装料矩阵，可单击鼠标传输至基础自动化系统执行。结合专家系统，负担控制模型是高炉运行中全自动负担成分优化的核心部分。

负担控制模型效益：(i)恒定产品质量——铁水和渣化学成分维持目标水平；(ii)跨班次独立负担修正——使用最新原料分析和标准化计算程序自动计算新负担成分；(iii)计算和激活新装料矩阵无需人工操作员交互。

无钟顶布料溜槽及可动装甲的钟式装料装置实现矿石和焦炭层精确分布入高炉。负担分布模型协助操作员/线路管理者修正实际分布，按实际工艺要求改善煤气流动模式和负担渗透率。模型模拟负担通过高炉炉身下降，计算炉身上部实际物料层形状。也计算径向体积、化学性质、颗粒尺寸分布，考虑物料偏析。

在线负担分布模型基于实际装料数据和实际料面测量计算，得出炉身上部当前负担分布。给操作员及时发现负担分布异常机会。离线模式下，模型基于装料矩阵和预定义料面计算。离线负担分布模型是设计优化煤气流动模式和负担渗透率新分布矩阵的宝贵工具。

3D炉底衬里监测

3D炉底衬里监测用于高炉安全、耐久、可靠生产。高炉大修周期主要由炉底寿命决定。故监测炉底壁和底部耐火材料厚度对估算炉底衬里寿命至关重要。

炉底磨损模型包含数学算法，基于热电偶测量统计评估和耐火材料导热系数，在三维空间求解逆热传导问题。模型计算侵蚀剖面和凝固挂渣层形成。计算磨损速度与剩余壁厚允许操作员和线路管理者预测炉底耐火材料寿命。

3D炉底衬里监测模型包含用户界面和报表，可视化模型结果贯穿高炉全寿命。每次计算HMI屏显示实际和最大磨损线3D图。意味着可高效对比原始衬里轮廓，显示单个可配置温度等温区域（如1150°C），可选择水平和垂直角度范围。

热指数计算模型

高炉能耗和生产率由热指数反映，可进一步用于预测铁水温度和硅含量发展。模型结果作为高炉专家系统输入，控制高炉过程热工状态。

炉身计算模型

模型基于实际装料数据，使用一次装料物料（一焦一矿层）进行物料平衡计算。单个装料从炉顶跟踪至风口区。结果图形化显示，允许操作员跟踪负担成分和分布变化。模型也计算负担变化对铁水和渣生效时间。

质量能量平衡合理性模型

该模型基于预定义周期内实际装料、工艺、生产数据自动生成报表，考虑高炉物料停留时间。质量能量平衡计算用于检测碱和锌循环积累或识别系统测量不准。后续平衡合理性算法指示最可能测量故障源。

铸铁场自动化

稳定可重复出铁操作对铁水质量和建立平稳高效高炉过程均必要。优良布局、可达性和人机工程可实现清洁安全铸铁场工作环境。铸铁场设备协同工作提供此环境。铸铁场自动化提供一致、安全铸铁场操作。包括：(i)泥炮和钻眼设备控制，(ii)铁沟和流槽温度监测，(iii)倾动流槽操作和铁包铁水液位监测，(iv)渣造粒工艺参数，(v)铸铁场烟气收集系统监测，(vi)控制方案含无线电操作腹部盒设计至全自动泥炮和自动钻孔逻辑。

出铁管理模型计算实际铁水和渣生产率及敞口铁口排放率。允许持续计算炉底实际铁水和渣量及液位。模型结果作为高炉专家系统输入，建议开启铁口。

高炉冷却系统自动化

从炉壳喷淋冷却到闭环炉板冷却，各种高炉冷却和温度监测控制选项通过仪表完善和集成控制系统管理。热通量监测和水处理系统是正确高炉冷却操作和长寿命的组成部分。

关键冷却回路泄漏检测系统

泄漏检测系统从安全角度必不可少。无快速泄漏检测存在风险。冷却系统管道扩展裂纹或微小水泄漏可影响铁水质量、导致停产、损坏高炉、最坏情况致人员伤亡。

有效检测泄漏的系统不仅是高炉过程自动化和控制系统最重要部分之一，更是高炉不可或缺的组成部分。因此泄漏检测设计满足过程工业仪表安全标准要求。

热风炉和热风输送自动化

热风炉自动化用于自动循环炉阀，向高炉提供不间断一致热风。炉循环系统设计适用2、3、4炉操作。热风炉自动化包括过程气体和烧制策略控制，含一级控制优化和燃烧器管理能力。此外，预热空气和煤气供应用于减少炉加热周期富集煤气用量。冷风监测控制和热风温度控制、燃料喷射控制包含在热风输送系统中。

现代高炉通常非常接近热风炉可维持的最大热风温度运行。若炉顶温度上升不够快，提供复杂控制以更高热值燃料富集高炉煤气，实现更快加热率。优化燃烧控制使用多功能：(i)过剩空气控制，(ii)考虑烟气氧或化学可燃分析或两者，(iii)炉顶温度对煤气富集比影响，(iv)三或四炉序列控制。

热风炉优化需实现高效率、灵活性、节能。高炉加热过程提供巨大节能潜力。操作员和线路管理者挑战是优化热风炉能量输入，同时保持给定热风流量和热风时间的目标温度。炉模型确保炉优化，通过提高炉效率节能。

热风炉控制模型结合短期直接控制和长期自调谐算法。快速控制用于修正烧制率维持正确炉操作参数。快速控制减少二氧化碳排放，最大化炉效率。人工智能算法优化热风炉效率性能。这些自学习算法使操作员能识别和修正测量误差。

热风炉控制模型支持各种操作模式结合各类富气类型。所有炉型（如考伯或卡鲁金）及预热和余热回收系统通常在模型中覆盖。

煤气净化厂自动化

高炉煤气用多种方法净化，包括旋风分离器或捕尘器除大颗粒，环隙水喷淋或静电除尘器。半净化煤气也用于驱动TRT（炉顶煤气回收透平）系统回收能量。任一情况下，煤气净化系统提供炉顶压力控制，以及净化煤气再用于各种过程，含炉加热、电厂锅炉房。

闭环高炉专家系统

闭环高炉专家系统通常按"尽可能少动作，必要时尽可能多动作"原则设计。目标是优化高炉运行，将操作员交互降至最低。专家系统通常设计为基于规则的决策系统，对抗负担材料成分质量变化、人为因素、工艺条件引起的过程波动。系统对异常或变化过程情况响应越早，整体高炉运行越平稳。准确把握控制活动时机和预判扰动对避免临界工艺条件、在低成本下维持高生产率至关重要。闭环高炉专家系统确保在现有负担材料下产品质量显著改善和燃料消耗降低。

专家系统通过两步过程推荐操作变更。第一步是当前情况分析，称过程诊断。专家系统使用基于海量持续收集的过程测量和分析数据的各种技术计算，研究高炉现象发生。第二步，如需提出纠正措施。基于因果关系由经验丰富的高炉工艺专家和操作员锻造的大量规则集，产生最佳实践和跨班次独立运行的建议。为达成维持高炉平稳运行的纠正措施报告给操作员。动作可闭环模式执行或经操作员确认后执行。

一组主要纠正措施导致连续、跨班次独立高炉运行。专家系统指导，特别是启动和停炉期间，带来节能和最小化生产损失。这种均匀运行有助于延长高炉寿命。主要纠正措施集如下。

燃料率和喷吹控制

专家系统观察高炉炉底热工状态，一旦识别出偏离最优条件的显著偏差，建议改变燃料率。按知识库定义规则，建议改变喷吹燃料或焦炭率，可全自动执行。

渣碱度控制

基于近期渣分析和铁水温度数据，专家系统一旦检测到偏离目标渣碱度，建议改变负担成分。配合负担控制模型，自动计算新装料矩阵，可传输至过程控制系统执行。

氧富集和蒸汽添加控制

氧富集控制计算优化加氧率达成目标铁水产量。可避免产量快速增加导致的临界情况。专家系统用蒸汽添加维持负担渗透率目标水平。因快速控制周期，可精确调整蒸汽添加量至工艺所需量。这样在可能时直接减少蒸汽输入，直接带来节能。