李東海 羅 磊 葉 波
（重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122）
摘要：本文簡要介紹了轉(zhuǎn)底爐工藝處理冶金含鐵塵泥固廢的發(fā)展概況，提出了通過數(shù)字化升級引領(lǐng)和促進(jìn)轉(zhuǎn)底爐技術(shù)的進(jìn)一步提升發(fā)展，系統(tǒng)闡述了智慧轉(zhuǎn)底爐一體化管控系統(tǒng)的架構(gòu)與功能應(yīng)用，并對未來發(fā)展提出了若干設(shè)想。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)底爐；智慧管控
1 前言
冶金含鐵塵泥是指鋼鐵冶金企業(yè)在原料準(zhǔn)備、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等主工序生產(chǎn)過程中，進(jìn)行干法或濕法除塵處理后得到的各類含鐵固體廢棄物，其中仍含有鐵、鋅等大量的有價(jià)元素，有待進(jìn)一步的資源化利用。其中，無鋅和低鋅的含鐵塵泥可通過返燒結(jié)等方式實(shí)現(xiàn)鐵素的直接循環(huán)使用，而剩下的含鋅較高的含鐵塵泥需單獨(dú)進(jìn)行脫鋅處理后再回收利用，以免造成高爐鋅負(fù)荷的快速循環(huán)富集，危害高爐的長壽穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。
對于大型長流程鋼廠而言，火法工藝是當(dāng)前最主流的脫鋅處理技術(shù)，其中，轉(zhuǎn)底爐技術(shù)因處理能力大、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能好，且可以同時實(shí)現(xiàn)鐵、鋅的高值化利用，因此近二十年來在國內(nèi)外得以快速發(fā)展。
2 轉(zhuǎn)底爐技術(shù)發(fā)展概況
轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鐵塵泥固廢技術(shù)在上世紀(jì)70年代末起源于美國，隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移于90年代末在日本得以進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)自2009年引進(jìn)國外技術(shù)建成第一條轉(zhuǎn)底爐線，歷經(jīng)消化吸收和不斷改進(jìn)而趨于成熟。截止目前，國內(nèi)已自主設(shè)計(jì)建成二十余條轉(zhuǎn)底爐線，約占全球轉(zhuǎn)底爐總數(shù)量的70%，成為轉(zhuǎn)底爐處理技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。其中，近十年新建轉(zhuǎn)底爐工程約80%由中冶賽迪設(shè)計(jì)建造。
轉(zhuǎn)底爐技術(shù)屬煤基直接還原煉鐵工藝，是典型的單向型長流程作業(yè)，具有滯后強(qiáng)、擾動大的特點(diǎn)。特別是由于轉(zhuǎn)底爐所處理的原料均來自上游煉鐵、煉鋼主工序，數(shù)量多、分布廣、成份雜，在空間上和時間上均呈現(xiàn)出高度的離散態(tài)，計(jì)量與檢化驗(yàn)信息關(guān)聯(lián)性弱、時效性差，而轉(zhuǎn)底爐作為末端處置環(huán)節(jié)，只能被動響應(yīng)。因此，生產(chǎn)管控難度大，產(chǎn)量質(zhì)量易波動，這已成為制約轉(zhuǎn)底爐技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。而隨著鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，通過新一代數(shù)字化技術(shù)同步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的智慧管控將是提升轉(zhuǎn)底爐技術(shù)發(fā)展的有效途徑。
傳統(tǒng)的生產(chǎn)管控以基礎(chǔ)過程自動化控制和人工決策為主，高度依賴生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)積累，管理決策較為模糊，難以支撐產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)深度的精細(xì)化管控。通過建設(shè)智慧轉(zhuǎn)底爐一體化管控系統(tǒng)，形成生產(chǎn)、物流、能源、質(zhì)量、設(shè)備、成本和安環(huán)等全生產(chǎn)要素和全過程管理的一體化協(xié)同，逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自感知、自學(xué)習(xí)、自決策和自執(zhí)行，從而完成過程管控的智慧化，生產(chǎn)運(yùn)維的一體化，運(yùn)營決策的可視化，管理組織的扁平化，達(dá)到精準(zhǔn)輔助提質(zhì)增效的目的。
3 智慧轉(zhuǎn)底爐一體化管控系統(tǒng)功能介紹
3.1 整體架構(gòu)
智慧轉(zhuǎn)底爐一體化管控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)L1/L2系統(tǒng)深度融合，完成對L1系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信、管理、分析和操作控制的同時，向上對接L3系統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)或訂單，橫向同步集成檢化驗(yàn)系統(tǒng)和地磅計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建生產(chǎn)管理閉環(huán)，然后依托數(shù)字孿生工廠、可視化看板和視頻監(jiān)控形成的中控駕駛艙大屏進(jìn)行集中展示交互，從而形成轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)全過程生產(chǎn)要素的集中統(tǒng)一管理。
平臺整體架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)傳輸層、平臺基礎(chǔ)層和功能應(yīng)用層四個層級，各層級之間通過一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，如圖1所示。
（1）數(shù)據(jù)層：平臺的數(shù)據(jù)源，包括全線儀表檢測設(shè)備、生產(chǎn)控制設(shè)備、物流計(jì)量設(shè)備、檢化驗(yàn)系統(tǒng)等。
（2）數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)層和平臺層之間，以及平臺與上級云系統(tǒng)之間的的數(shù)據(jù)傳輸通道；各子系統(tǒng)之間基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，采用OPC、SOCKET以及數(shù)據(jù)庫等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，確保數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時性。
（3）平臺基礎(chǔ)層：對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、清洗、聚合和分析，提取有價(jià)值的信息，為應(yīng)用層提供支撐；包括IaaS平臺、數(shù)據(jù)采集存儲平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺、圖像識別平臺、工業(yè)視頻監(jiān)控分析平臺等。
（4）功能應(yīng)用層：生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、能源、成本、運(yùn)維、安環(huán)等各業(yè)務(wù)版塊功能的具體呈現(xiàn)與人機(jī)交互；通過直觀友好的用戶界面，提供實(shí)時監(jiān)視和控制功能，方便操作人員進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。
圖1 平臺整體架構(gòu)圖
3.2 功能設(shè)計(jì)
3.2.1 生產(chǎn)管理
1）計(jì)劃管理
完成生產(chǎn)任務(wù)或訂單的錄入、修改、刪除、結(jié)案、審批、查詢、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出、打印等管理功能，形成生產(chǎn)計(jì)劃制定的基礎(chǔ)。
按照生產(chǎn)任務(wù)/訂單的處理需要，結(jié)合庫存信息和產(chǎn)線狀態(tài)，完成生產(chǎn)計(jì)劃的分解排產(chǎn)、分發(fā)推送、反饋跟蹤和動態(tài)調(diào)整，助力各層級生產(chǎn)管理人員精準(zhǔn)把握計(jì)劃進(jìn)度。
2）工藝管理
轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝的管理是整個平臺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，中冶賽迪依托轉(zhuǎn)底爐技術(shù)領(lǐng)域最為豐富的經(jīng)驗(yàn)沉淀和知識積累，形成了全產(chǎn)線工藝管理的“智慧矩陣”（如圖2所示）。通過遵循含碳球團(tuán)高溫直接還原工藝的基本原理，以流程工序子控制模塊為基礎(chǔ)，多系統(tǒng)多層級設(shè)備的協(xié)同控制為框架，同時配合多因素主題的交互式集成分析功能，實(shí)現(xiàn)以終端產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量綜合最優(yōu)為目標(biāo)的全域智慧尋優(yōu)，從而為轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)提供核心智慧力。
圖2 工藝管理“智慧矩陣”架構(gòu)圖
3.2.2 物料管理
提供車間原輔料、產(chǎn)品的入庫、消耗和出庫信息的錄入、修改、刪減、查詢、推送等進(jìn)銷存管理功能，同步接入物流跟蹤信息、檢化驗(yàn)系統(tǒng)和地磅計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完成從原料到產(chǎn)品的端到端一體化管理，高效支撐日常生產(chǎn)調(diào)度和計(jì)劃跟蹤。
1）出入庫管理
原料管理——對外購的原輔料種類、運(yùn)輸量、時間批次、累積量、消耗量等信息進(jìn)行出入庫管理，更新庫存狀態(tài)并進(jìn)行信息推送；
成品管理——對各產(chǎn)品的種類、累計(jì)量、出庫批次、運(yùn)輸量等信息進(jìn)行出入庫管理，更新庫存狀態(tài)并進(jìn)行信息推送。
2）物流跟蹤
對與上下游頻繁往來的原料及成品運(yùn)輸車輛加裝GPS定位器和智能物聯(lián)裝置，實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時定位、軌跡跟蹤、信息掃碼讀寫等功能，形成對原料入庫和成品出庫來往車輛的全時域動態(tài)跟蹤管理。
3.2.3 能源管理
負(fù)責(zé)生產(chǎn)所用能源介質(zhì)的實(shí)時監(jiān)測、分析和預(yù)警，包括：
采集各能介一次儀表數(shù)據(jù)，對產(chǎn)線實(shí)時消耗進(jìn)行全時態(tài)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)；
按照不同班次、不同時間維度內(nèi)的能介消耗量，進(jìn)行同比、環(huán)比、對比等多維度的對比分析；
結(jié)合用能計(jì)劃、日常工況知識庫及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行用能平衡和用能異常預(yù)警。
3.2.4 成本管理
提供能介消耗、原輔料、物流、人工、折舊、維修、辦公成本等全成本核算一張圖，可按照不同班次、不同時間維度進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ确治觯Y(jié)合成本計(jì)劃提供預(yù)警和優(yōu)化建議，并進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，形成全過程成本管控的有力支撐。
3.2.5 設(shè)備管理
1）設(shè)備點(diǎn)巡檢
電子打卡——按照點(diǎn)巡檢標(biāo)準(zhǔn)流程定點(diǎn)打卡記錄；
掃碼查詢——通過移動端掃描設(shè)備二維碼，實(shí)時查閱設(shè)備點(diǎn)巡檢作業(yè)指導(dǎo)書，并逐一確認(rèn)記錄；
一鍵推送——對設(shè)備異常、作業(yè)完成進(jìn)度等信息向中控進(jìn)行實(shí)時反饋。
2）停機(jī)管理
停機(jī)自動統(tǒng)計(jì)——按照正常計(jì)劃停機(jī)與異常停機(jī)進(jìn)行自動分類統(tǒng)計(jì)；
故障維修與分析——對異常停機(jī)進(jìn)行維申請的分級推送，并提作業(yè)記錄登記功能，匯總形成常見故障統(tǒng)計(jì)分析知識庫。
3）健康診斷與預(yù)測
狀態(tài)監(jiān)控與異常預(yù)警——按照電機(jī)、軸承、溫度、壓力、流量、液位、開度等不同類別整合，結(jié)合個性化工況規(guī)則區(qū)分，建立工況規(guī)則庫和提供異常預(yù)警；
設(shè)備易損件壽命預(yù)測——對主風(fēng)機(jī)、混合機(jī)、成球機(jī)、轉(zhuǎn)底爐等大型關(guān)鍵設(shè)備的易損件進(jìn)行壽命預(yù)測分析，提供維護(hù)建議。
4）備件物資管理
負(fù)責(zé)完成備件物資的請購計(jì)劃、入庫登記、出庫使用、設(shè)備報(bào)廢/更換、盤點(diǎn)更新、報(bào)表生成、維修計(jì)劃制定等日常管理的信息化功能。
3.2.6 質(zhì)量管理
負(fù)責(zé)生產(chǎn)質(zhì)量的全過程閉環(huán)管理，包括：
1）事前預(yù)測
根據(jù)檢化驗(yàn)系統(tǒng)傳入的原料數(shù)據(jù)，結(jié)合工藝管理模型對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測。
2）事中評估
根據(jù)檢化驗(yàn)系統(tǒng)傳入的產(chǎn)品數(shù)據(jù)對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。
3）事后分析
根據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果對各班組生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖形圖表呈現(xiàn)，形成質(zhì)量追溯管理，同時提供未達(dá)標(biāo)班組書面質(zhì)量報(bào)告的上傳錄入功能，匯總形成生產(chǎn)質(zhì)量知識庫和改善建議。
3.2.7 安環(huán)管理
負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)的安全環(huán)保管理，包括：
1）消防安全
通過采集CO報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)及重要區(qū)域視頻監(jiān)控畫面，配合危險(xiǎn)行為的智慧識別，對消防安全進(jìn)行可視化集成管控，提供信息推送、警報(bào)聯(lián)動功能，降低消防風(fēng)險(xiǎn)。
2）行為安全
通過工業(yè)電視監(jiān)控與機(jī)器視覺算法分析，對煤氣、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)等危險(xiǎn)區(qū)域或電氣室、中控室、廠區(qū)大門及關(guān)鍵操作崗位等生產(chǎn)區(qū)域的人員行為進(jìn)行智慧識別和警報(bào)聯(lián)動，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。
3）環(huán)保管理
結(jié)合廠區(qū)生產(chǎn)各區(qū)域的環(huán)境治理設(shè)施分布及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以環(huán)保達(dá)標(biāo)指標(biāo)為核心構(gòu)建全廠環(huán)保數(shù)字地圖，并依托數(shù)字孿生工廠在大屏進(jìn)行呈現(xiàn)，同時結(jié)合產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并完成環(huán)境治理設(shè)備設(shè)施的智慧協(xié)同控制，為區(qū)域內(nèi)的環(huán)保管理提供智慧助力。
3.2.8 人員管理
1）在崗管理
通過電子ID分配和智能定位裝置，實(shí)時感知員工在崗狀態(tài)及所處位置，并進(jìn)行智慧分析與大屏動態(tài)呈現(xiàn)。
2）人員培訓(xùn)
依托數(shù)字孿生工廠和智能AR/VR裝備，提供沉浸式漫游體驗(yàn)和操作安全培訓(xùn)。
3）績效管理
通過從生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)量質(zhì)量、能介消耗、安全環(huán)保等不同維度的指標(biāo)量化評估和可視化看板呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對不同班組在不同時間維度層面的績效綜合評價(jià)。
3.2.9 科研管理
負(fù)責(zé)生產(chǎn)核心工藝、專家知識庫、圖紙檔案等日常的科技研發(fā)和技術(shù)管理。
3.3 可視化呈現(xiàn)
3.3.1 中控駕駛艙
通過3D模型搭建基于全產(chǎn)線廠房設(shè)備的數(shù)字孿生工廠，完成全產(chǎn)線真實(shí)物理信息的實(shí)時連接和動態(tài)映射，形成多物理量虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字底座，同時輔以物料、能源、生產(chǎn)的擬態(tài)化跟蹤，為生產(chǎn)管理人員提供統(tǒng)一、全面、直觀、高效的人機(jī)交互呈現(xiàn)。
3.3.2 掌上移動工廠
通過移動終端或手機(jī)應(yīng)用軟件，開發(fā)個性化應(yīng)用，支持在手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的信息查詢、瀏覽與作業(yè)管理，以及生產(chǎn)實(shí)時信息的分發(fā)、推送和查詢?yōu)g覽，促進(jìn)產(chǎn)線管理的實(shí)時化和便捷化，包括：
移動點(diǎn)巡檢——方便設(shè)備管理人員完成任務(wù)推送、定點(diǎn)打卡、掃碼查詢、清單對照、異常提醒等功能；
移動管理——將生產(chǎn)、質(zhì)量、能介、成本等信息根據(jù)管理人員權(quán)限等級完成自動分發(fā)、推送，支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)表的可視化呈現(xiàn)和自定義查詢。
4 智慧轉(zhuǎn)底爐一體化管控系統(tǒng)應(yīng)用
中冶賽迪作為專業(yè)化的工程技術(shù)公司，可充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)與工程技術(shù)的交叉結(jié)合作用，通過構(gòu)建全過程生產(chǎn)要素的一體化管控系統(tǒng)，完成從前期總體規(guī)劃、中期過程建設(shè)到后期運(yùn)營服務(wù)的全過程技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)與生產(chǎn)管理的深度融合，真正形成數(shù)字賦能。
以國內(nèi)新近投運(yùn)的某20萬噸轉(zhuǎn)底爐固廢處理線為例，其是當(dāng)前占地最省、流程最短、數(shù)字化程度最高的轉(zhuǎn)底爐工程。在項(xiàng)目前期規(guī)劃階段，通過融合實(shí)景地圖與三維設(shè)計(jì)，對方案的總體布局進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和充分論證，實(shí)現(xiàn)了用地節(jié)約、流程簡潔和物流通暢，為轉(zhuǎn)底爐建成投產(chǎn)后的高效低成本運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。在項(xiàng)目過程建設(shè)階段，依托統(tǒng)一的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工具和平臺，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)正向三維協(xié)同設(shè)計(jì)，從底層開始構(gòu)建數(shù)字孿生車間，為管控系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確搭建提供堅(jiān)實(shí)支撐。在項(xiàng)目投運(yùn)后，賽迪將繼續(xù)提供生產(chǎn)運(yùn)維服務(wù)，專家服務(wù)團(tuán)隊(duì)與計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，將融合產(chǎn)生的個性化工藝技術(shù)持續(xù)嵌入平臺內(nèi)迭代優(yōu)化，預(yù)計(jì)產(chǎn)線整體穩(wěn)定性及產(chǎn)品合格率可提升10%左右。
5 展望
為適應(yīng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，同時也是落實(shí)新《固廢法》建立固廢全過程管理的要求，可依托轉(zhuǎn)底爐固廢單元構(gòu)建冶金塵泥的“智慧固廢中心”，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等新一代數(shù)字化技術(shù)，破除固廢產(chǎn)地多源、檢測計(jì)量數(shù)據(jù)離散、管理部門多頭等信息孤島難題，打通鋼鐵企業(yè)內(nèi)固廢產(chǎn)生、流轉(zhuǎn)、治理、排放的全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)測得準(zhǔn)、傳得快、說得清、管得好，形成全廠冶金塵泥固廢從源頭產(chǎn)生到中轉(zhuǎn)庫存以及末端處置的全流程一體化管控，實(shí)施路線如下：
全廠固廢進(jìn)行統(tǒng)一分類和編碼，梳理規(guī)劃利用路徑，建立全廠固廢管理的規(guī)范化流程；
各固廢產(chǎn)生點(diǎn)進(jìn)行電子標(biāo)簽化改造，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸固廢品名、批次信息的自動標(biāo)識；
接入檢化驗(yàn)、中轉(zhuǎn)庫存等信息，同步固廢品質(zhì)、庫存量等；
計(jì)量系統(tǒng)的信息化改造，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸固廢標(biāo)簽的自動識別并自動上傳計(jì)量信息；
建立固廢流轉(zhuǎn)的可視化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和智慧調(diào)度模型，通過匹配工藝主線的生產(chǎn)工況，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)廢源頭、中轉(zhuǎn)庫存和處置末端的智能預(yù)測和優(yōu)化調(diào)度；
建立固廢管理的自動臺賬，并進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，為企業(yè)提升固廢精細(xì)化管理水平、實(shí)現(xiàn)固廢高效利用、減少環(huán)保違約風(fēng)險(xiǎn)，提供全方位的智慧管理與決策支持；
融合大氣治理的集中環(huán)保管控，打通全流程生產(chǎn)中污染治理、排放、流轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)鏈條，建立大數(shù)據(jù)診斷模型，實(shí)現(xiàn)大氣治理污染物排放的智能預(yù)測預(yù)警、伴生固廢的智能的預(yù)測與調(diào)度，最終升級形成完整的管控智慧矩陣。
參考文獻(xiàn)
[1] 羅磊，雍海泉. 轉(zhuǎn)底爐工藝對高爐生產(chǎn)的影響[J]. 工業(yè)加熱. 2017, (5):17-18.
[2] 李東海. 轉(zhuǎn)底爐處理冶金含鋅塵泥技術(shù)工業(yè)化歷程概述[J].工業(yè)加熱. 2022, 51(9):1-4.