国家自然科学基金重点项目《面向指标优化的高炉布料过程建模与控制》取得研究成果

自改革开放40年以来，我国的钢铁年产量从3178万吨跃升至8亿吨，中国钢产量占到世界钢产量的50%左右，完成了难以解读的天方夜谭式的巨变！如果没有这么多钢，靠进口钢材怎么能建成现在的中国，我们看到那么多高楼大厦，铁路，桥梁，似乎没去想是用钢铁堆起来的。

作为我国国民经济支柱的钢铁工业，也是高耗能和高排放产业，其中高炉炼铁能耗和排放占其主要部分。作为钢铁工业排头兵的高炉炼铁过程，其高炉从40年前的1280立方米已经发展到如今拥有近20座4000立方米以上的高炉，5500立方米以上的高炉也有10座之多。高炉炼铁的原料入炉布料过程是影响高炉指标优化最关键的环节，具有运行机理复杂、环境恶劣、关键参量检测、指标优化和控制困难的特点。长期以来，高炉人追求“长寿、高效、节能、环保”，特别对高炉内部的可视化和高炉料面/料层的检测情有独钟，进行了长期艰苦的探索。我们利用微波技术在高炉料面/料层的检测方面进行了近20年的研究和实践，并且得到了科技部863课题和国家自然科学基金委重点项目的支持。

我们的“面向指标优化的高炉布料过程建模与控制”项目以布料过程料面形状精准控制为手段，以高炉顺行和生产指标优化为目标，针对料面的形状和料层分布测量技术、料面形状的模型构建和特征提取方法、料面形状特征和煤气流分布以及炉况的关联关系、从料仓到料面的料流运动模型构建、基于生产指标优化的最优料面设定、料面形状的精准控制等进行了系统并且深入的研究，取得了一系列创新成果。

首先，我们提出并构建了面向指标优化的现代大型高炉布料过程建模与控制体系，为开展进一步的研究工作奠定了坚实的基础。下图详细展示了该体系的各个组成部分以及它们之间的关系。

图1 面向指标优化的高炉布料过程建模与控制体系

然后，我们以面向指标优化的高炉布料过程建模与控制体系为基础，对其各个部分分别进行研究，从实际的高炉布料过程中提炼出科学问题，以解决这些工程中的关键问题为研究目标，进而开展具体的研究工作。项目的总体研究框架如下图所示。

图2 项目总体研究框架

最后，经过科研人员几年的努力工作，我们取得了如下研究成果：

1）为了能够准确地检测出高炉的料面形状、料层分布和料面煤气流分布情况，我们研发了阵列雷达（见图3）、摆动雷达（见图4）和相控阵雷达（见图5）等系列料面检测装置，提出了一种多场相耦合的料面形状与煤气流分布检测方法，实现了高炉料面的实时在线检测，获取了料层和煤气流分布及其运动规律并实现了可视化；

              

（a）示意图                                               （b）实物图

图3 阵列雷达

 

                            

（a）示意图                                          （b）实物图

图4 摆动雷达

   

（a）示意图                      （b）实物图

图5 相控阵雷达

2）为了对高炉布料过程的炉况状态进行建模描述，我们提出并建立了高炉料面线形特征模型和环形模型体系及建模方法，提出了基于料面形状和温度检测的煤气流分布模型，提出了铁水硅含量预测模型和煤气利用率预测模型，建立了从料仓到料面的料流运动和料面形成的系列模型。通过建立这些模型，实现了对高炉布料过程中炉况状态的机理化、数据化、多角度、全方位的刻画；

3）为了优化实际生产中操作人员关注的性能指标，我们构建了多时间尺度、多空间位置和多目标维度的高炉生产过程指标体系，提出了基于铁水质量、燃料消耗、高炉顺行三大指标和料面特征的关系模型，形成了面向指标优化的期望料面形成机制，并建立了从料面形状到布料矩阵的映射机制。从而在此基础上提出了高炉连续运行间歇布料过程控制理论与方法，实现了料面和煤气流分布的精准控制，保证了高炉能够在期望的指标优化目标下稳定安全地运行；

4）为了解决实际的高炉布料过程控制问题，我们设计并实现了高炉布料过程可视化实时仿真验证平台与应用系统，并将其应用于南京钢铁集团公司（见图6）、宝武钢铁集团公司（见图7）和华菱涟源钢铁集团公司（见图8），取得了社会和经济效益。

图6 南钢1#、3#料面可视化实时检控画面

图7 武钢7#料面可视化实时检控画面

图8 华菱涟源钢铁工业应用软件运行画面

这些研究成果为实现高炉布料过程可视化和自动化奠定了良好的基础，初步实现了生产指标优化和节能减排效果，并为复杂生产过程建模与控制提供了新的理论、方法和技术，具有重要科学意义和应用前景。