张一帆,赵显久

(宝山钢铁股份有限公司 1.宝钢湛江钢铁有限公司,广东 湛江 524072; 2.中央研究院,上海 201999)

在人类工业文明发展历程中,先后发生了蒸汽机驱动机械设备的“蒸汽革命”、电的发明开启的流水线生产的“电气革命”、伴随着电子信息技术的发展产生了“数字化革命”。目前中国工业发展阶段,尤其是钢铁工业,先进的生产企业处于数字化革命产业阶段,其标志是生产线布局大量基础自动化的PLC,结合控制软件,在有人操作下实现较高自动化程度的生产作业。当然还有较多的钢铁企业自动化基础设施薄弱,比如宝武集团某生产基地,炼钢中间包吨位信息、冷轧板卷生产信息,由于前期投入较低和关注较少,造成关键生产信息阙如。国内其他民营小钢铁企业还处于电气到信息化的发展阶段。

伴随着人工智能的发展以及人口红利的消失,中国钢铁工业面临着基于大数据和物联网为载体、智能化生产为目标的第四次工业革命。大数据和物联网已成功在一些领域展开应用[1-2]。2018年上半年,宝武集团韶钢公司进行了大规模的操作室集中归并,拉开了宝武集团智能化和智慧化生产的大幕。宝钢股份公司宝山基地3号连铸机诸多机器人的成功投入使用、炼铁厂高炉集中控制中心和制造管理部生产运行中心的先后投入,都为宝武集团的智能化发展的前景提供了灵活生动样板和可资参考案例,但如何进一步发展钢铁工业的智能化,需要深入的谋篇布局和统筹谋划。

本文以宝钢股份公司宝山基地为研究对象,依据公开文献阐述目前宝钢智能生产现状,并结合生产过程中控制要点,讨论智能制造未来发展方向。

1 智能化生产现状

宝钢股份公司初级生产控制系统是控制设备运行的基础自动化层,是宝钢股份同步引进的新日铁的基础自动化和过程控制系统,在宝钢定义为L1层。此层为人机交互界面层(HMI,human-machine interaction),是底层的生产执行层。在转炉工序,该层直接控制着氧枪位置,在精炼直接控制着合金料仓,在连铸直接控制着结晶器振动参数。L1是最基础也是最关键的信息化网络层,大量的高频数据,比如中间包吨位数据,是时间和液位吨位的高频二维数据。

生产过程中,每一炉产生的数据,经过筛选、甄别,去除重复和无效数据之后,进入过程控制系统层,这就是L2层。从L1到L2,需要一定的通讯协议完成数据的上传。不同工序之间,需要数据的交换,比如连铸需要知道下一炉钢在哪个工位、精炼处理多久、还需多长时间精炼可处理完毕、本炉浇注的大包是否需要降速等待前工序处理的钢包,所以在L2层,L1向L2层传输,L2层也向L1传输。故利用L2系统,实现整个冶金工艺工厂级别过程控制。

当钢水在连铸完成了从钢水到铸坯之后,若了解从炼钢厂出去的铸坯在热轧的轧制结果如何,这涉及到不同工厂之间的通讯,这就是制造执行系统L3。公司订单通过系统向炼钢厂下发生产调度计划,也是通过L3。

公司整体经营,不同生产基地单元之间的对标,这需要更深一层次的系统,这是L4。

参照图1,可直观了解宝钢股份宝山基地生产信息化系统框架。

图1 宝钢股份宝山基地生产信息化系统框架

1.1 操作室归并

目前宝钢股份公司生产单元的很多操作室在进行合并改造,就是将L1操控室大规模地集合在一起。比如宝山基地有4座高炉,统一集中,实现远程操作。优势显而易见,不同炉座之间的协调可直接完成,人员之间的调配可当场实现,人事效率提升,人均吨钢增加,企业可以提高人员的竞争力;且由于远离生产一线,一旦发生安全类事故,可以避免人员伤亡。当然对于现场维护或有局限,需要通过增加针对现场异常信息收集工作并要及时跟进确认,将异常快速消除,避免小异常导致大事故。

1.2 机器代替人

钢铁冶金企业操作环境虽然在持续改善,但是由于行业特点就是噪声大、粉尘多,操作环境恶劣。在宝钢股份公司宝山基地,2018年1月3日厚板连铸机改造,投入使用4台机器人,即受钢包机器人、中间包机器人以及浇钢机器人[3],分别用于钢包的油缸、气管、能介安装,大包长水口及测温取样,以及连铸保护渣的加入。从目前运行来看,机器人运行平稳,人员的劳动强度降低,操作人员从现场粉尘噪声较多的操作室转移到环境美观宜人的中央控制室。现场实现了机器代替人,员工工作环境得到了改善。

1.3 无人化板卷库

在宝钢股份公司宝山基地,轧制出来的成品置放于成品库,需要驳运到码头或者厂外仓库。在传统的管理模式中,在库场划分标记,通过库场管理系统,现场操作员工根据运货清单结合系统显示消息,找到对应板卷,再由行车吊运至货车。这个工作枯燥且重复,容易出错。为了解决这个问题,公司开始对库场管理系统结合行车定位进行改造。目前宝钢1 580 mm无人化行车已经成功运行,该改造项目已经列入工信部智能制造试点项目[4]“1 580 mm 热轧智能车间”。

2 智慧生产的未来

为进一步实现智慧制造,以炼钢工序为例,结合冶金原理,讨论冶金智慧化工作发展方向。

2.1 转炉冶炼

转炉生产过程中,先氧化Si,再氧化Mn,之后氧化C,通过氧枪对钢水的氧化,生成FeO,该成分融入石灰,促进了石灰溶解,同时对已生成的Si-O四面体结构进行解体,造出均匀的液态渣,完成从铁水到钢水降低碳含量并提高温度的冶炼过程。在这个过程中,如何更好地造出成分均匀的液体熔渣,是冶炼出合格钢水的关键。而加入冶炼石灰、轻烧镁球、矿石等辅料时间、氧枪高度的信息,炉内化渣情况,需要进一步通过冶金理论,结合大数据,进行建模分析,总结辅料加入时机(时间参数)、加入量(容量和数量参数)及氧枪高度变化导致化渣情况。化渣可以借助红外摄像仪,或者激光测温仪,或者其他设备进行检测,并增加炉内冶金炉渣及成分的检测及设备。得到这些关键要素数据,将冶炼情况、炉内化渣情况、炉内温升情况及时对应跟踪,才可完善已有的炼钢模型,将冶炼终点按照目标成功完成。从目前看,转炉冶炼模型以及炼钢厂数据库,没有将氧枪高度、炉内动态温度、炉内化渣情况纳入模型,也未将上述关键信息数据化。此外,还有转炉炉内风口状态的数据化,转炉炉衬厚度的数据化,都应进入公司数据仓库,这些都是需要增加检测手段和数据传输系统,以提高现场管理效率,且对于提高炼钢安全,维护转炉状态也是大有裨益的。

2.2 转炉炉后造渣

以汽车板钢种为例,转炉冶炼完毕,在出钢过程加入石灰,按照技术规程以500 kg/炉以上为标准。出钢完毕,加入铝渣,基本固定在300 kg/炉。石灰的作用除了强化转炉冶炼的脱硫以外,还可增加钢包顶渣碱度,为精炼工序脱氧产生的氧化铝提供吸附钢包渣成分。按照CaO-Al2O3二元渣系相图[5],向着CaO或者Al2O3方向移动,都会造成炉渣熔点升高。从冶金熔渣的物理化学角度,当熔点升高后,温度的降低将导致熔渣结壳,如此很难保证钢包渣在后工序连铸浇注中,能够起到防止空气氧化钢水的作用。技术规程规定500 kg/炉以上的石灰,从相图看是不可取的。石灰多加后熔点将达到1 800 ℃以上,多余的石灰也是成本的浪费。

同时也注意到,关于精炼处理前的钢包顶渣,从热力学角度,应该高碱度以吸附脱氧产物氧化铝,如图2中A位置[6],从动力学角度应该适当降低碱度造液体渣,如图2中B位置。所以转炉为了减少钢水中夹杂物,充分吸附脱氧产物,目前的技术规程标准应根据炉次的具体情况作出相应的调整。为此,智慧制造的方向,应该向着按照不同炉次不同生产条件,以精益运营生产的方式方向,基于冶金机理,再考虑到炉次游离氧、停吹温度、停吹碳、转炉炉内渣、下渣量,计算出转炉钢包内的加入石灰和铝渣的量,并结合冶金动力学和热力学,做到动态投入辅料数量。

图2 适宜吸附脱氧产物的炉渣成分

2.3 精炼OB

现场生产由于精炼工序经常发生游离氧低,为了避免脱碳缓慢增加精炼处理时间,操作人员经常会进行少量的吹氧(OB,Oxygen blowing)以提高钢水中游离氧。精炼技术人员认为较少的OB量,不会对钢水的纯净度造成影响。实际上,从冶金热力学看,当进行OB增氧时,氧化钢包顶渣生成大量的FeO将直接氧化精炼处理完毕的钢水,造成钢水纯净度的恶化。所以为避免OB增氧,要在转炉操作中控制好氧含量,避免游离氧低。这涉及到转炉—精炼工序协调配合以及技术规程的改进工作。所以智慧制造工作,应该深入挖掘冶金机理,在数据上验证后修正技术规程是一个研究方向。

2.4 连铸大包氩封

连铸一直倡导防氧化。日本企业如新日铁,生产现场防氧化措施做得非常到位,从氩气接头的检修更换到大包密封工作的确认,都有相关的规定并严格执行。连铸生产中,连铸长水口通过吹入氩气实现密封,称之为“氩封”,以实现防氧化。主要是防止大包较大静压力下,较大冲击速度的钢水流从大包下水口穿过长水口,引起负压吸入的空气造成的空气氧化。这种氧化极为严重,尤其是当氩封流量为零时,空气中氧和氮的吸入,将直接引起钢水成分的较大变化,这种成分的变化是空气氧化钢水的直接反应。在某钢铁企业[7],从大包到中间包,长水口的氩气流量一般设置在30～40 m3/h。由于生产现场频繁发生中间包长水口注流部的前后大面有侵蚀的现象,为此将长水口处的氩气流量降低到了原来的60%,中间包侵蚀情况略有好转。但是降低密封氩气流量,对于中间包防氧化的工作将带来什么影响,还需要深入探索。故统计了该铸机最近3年的长水口处的氩气流量数据与中间包铝损对应情况,见表1。

表1 大包长水口氩气流量分级及中间包铝损统计

从统计的结果看,不同的长水口氩气流量对应的中间包铝损是不同的。较低的氩气,由于氧气的分压较高,铝损较大。表1中,当氩气流量在20～25 m3/h时,铝损最大,达到了100.40×10-4%。4个等级氩封流量,最低氩气、铝损最大,这在冶金理论上是有道理的;而最大的氩气流量,铝损也比较大。这说明最低和最高的氩封流量都将导致铝损的增加。最低可以理解,由于氩气分压比较低,自然会造成氧分压的增加,所以铝损大;但是,氩气高,铝损也大,这需要进一步从冶金机理开展深入探讨。

据日本一博士论文文献报道[8],中间包铝损与覆盖剂、耐材及中间包中空气氛围均有关系。空气的影响可分成两个方面:一个方面是关于空气中氧分压较低,造成的注流表面高温钢流氧化铝的损失,称之为Δ[Al]as——这是钢水从大包流入到中间包过程中,钢流表面被吸入空气氧化造成的酸溶铝的减少量;另一个方面,当钢流从长水口出来,由于氩气从长水口的带出,造成钢水在中间包液面上的飞溅,这一过程中造成的酸溶铝的损失,称之为Δ[Al]aF——钢流从大包流入中间包后由于氩气协同效应造成的飞溅,是由飞溅起的钢流重新回落到中间包,造成氧化所导致的中间包酸溶铝的减少量。氩气流量影响了氧分压和钢水在中包的飞溅,所以分析氩气流量的影响从氧分压及飞溅两个维度对数据分层分析是必要的。

该文献进一步阐述了关于氧分压和中间包铝的损失的关系:中间包的气相中,氧的分压在低于0.30%时,中间包内吸收氧速度将正比于氧分压;若在0.30%～10.0%,吸氧速度正比于氧分压的2/3次方。所以在0～10.0%内,无论是较小的氧气分压,还是较大的氧气分压,吸氧速度都是跟中间包氧的分压成正比例的函数关系。若一方面降低了长水口氩气密封的流量,虽降低了由长水口的飞溅造成的铝损,但是由于氩气流量明显减少,氧的分压就会上升,这将导致有空气氧化中间包铝损Δ[Al]as的增加。相反,一旦当增大氩封流量,可以直观得到氧分压降低,进而减少氧气吸附减少铝损,但是长水口氩气密封的较大流量将引起长水口出来的钢液的飞溅异常严重,这将加剧飞溅的钢液和空气的接触,从而导致由于飞溅引起的氧化而造成的铝损Δ[Al]aF的增加。从表1中可以看到这个趋势,在中间的流量是一个择优的取值。

从上述分析可知,为深入实现智能制造在冶金企业的应用,应将冶金原理和科学管理有机结合,所以需要加强两个方面的工作:①增加数据信息。为了工艺改进,关键的数据信息需要采集、传输、储存,并挖掘,采取适当的方式和方法来挖掘分析。冶金企业在诸如大包长水口氩封流量上存在采集不完善、数据存储不到位的问题。②挖掘数据背后的冶金机理。前已叙述,必须结合现场完备的工艺数据,结合恰当的冶金机理,才能更好地为智能制造服务。

2.5 打破数据竖井

炼钢厂的板坯去热轧轧制结果信息,要及时做到班组级别的共享。目前热轧轧制情况、炼钢板坯在热轧厂轧制结果,需要通过专业工程师在制造执行系统L3查询才可得到。热轧结果一般当天热送当天就有结果,但是这个结果需要技术人员的跟踪,一般不能及时反馈给当班的生产一线的操作人员。当发生批量轧制缺陷时,专业工程师调查当班生产操作人员,或已经是若干天之后了。这个时候,再去寻求当班操作对生产作业的反馈,得到反馈的信息是不及时也是不可靠的。相比热轧结果的几天可以反馈,冷轧往往需要3周到1个月得到轧制结果。若发生批量冷轧的轧制缺陷,技术人员与当班操作人员来核实当天的操作情况,基本得不到任何信息。且冷轧与炼钢中间隔着热轧工序,炼钢厂的L3系统没有权限去查询冷轧数据,当然可以借助公司SAS系统进行查询,但是鉴于该系统复杂的操作性,需要技术人员的协作才可实现。热轧厂的轧制归户到炼钢厂轧制异常板坯数据,冷轧厂的轧制归户到炼钢厂轧制异常板坯数据,应该打破彼此之间的数据竖井,要做到信息的及时准确传递,传递到生产一线的班组。当然,轧制信息等数据如果不经过处理,没有以可视直观展示也是不可取的。所以打破数据竖井之后,还要进行智能化的报表,将相关数据动态可视直观展示出来。

3 结论

对宝钢股份公司,尤其是宝山基地,在简单介绍智慧制造的发展情况的基础上,对冶金智慧发展方向进行了审视,结论如下:

(1)目前以操作室归并、机器代人、无人化行车为代表的宝山基地智慧制造初见成果,为未来的智慧制造打下了坚实的基础。

(2)智慧制造必定基于数据的采集、分析以及决策,所以加强现场的数据采集是必要的。数据是智慧制造的基础,就目前来看,还有大量的数据采集工作需要去做。

(3)为深入实现冶金业的智慧制造,应将数据与冶金原理结合,尤其是冶金热力学和动力学要结合起来,只有将完备的数据和准确的冶金原理相结合,才能进一步优化工艺、指导生产、提高质量。远程化、无人化也可以比现场有人操作做得更好,必须基于冶金物理化学,推进智能制造的发展。