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国外专题:工业40引领智能电弧炉炼钢厂发展
发布时间:2019-10-05 21:37

  如今,促进制造行业下一个阶段数字化进程的刺激因素主要有四个:1)数据量、计算能力和互联互通性的急剧提高;2)统计分析和商务智能一体化的出现;3)诸如触摸式接口和增强现实(AR)系统等新型人机接口;4)数字指令到物理世界转换技术的提高,例如高级机器人和3-D打印技术。这些技术革新即是通常所指的工业4.0。

  Tenova公司已经制造出了应用上述刺激因素技术的新型控制和优化产品,特别是在“垂直一体化”和“水平一体化”两方面。“垂直一体化”通过增加特定设备和相应工艺的“知识库”总量,改善单体设备的控制和运行结果,如iEAF技术。“水平一体化”则集成不同的设备和工艺,从而整体控制和优化从原料到最终产品的整个生产循环过程,如iMeltShop概念。

  iEAF是一种专为电弧炉动态控制和优化而开发的新型自动化系统,系统基于集成了烟气成分的实时在线检测以及严格的动态过程输入量的在线工艺模型。

  典型的iEAF层级犹如金字塔,从下至上包括:1)传感器和检测仪表;2)动态工艺模型;3)控制和优化模块。每一层都建立在前一层的基础上,并组成一个完整的系统。

  在线传感器和集成的数学模型负责提供基本的工艺过程信息,从而能够进行电弧炉工艺过程的高级控制。不同的工艺模型对基本信息进行扩展,为电弧炉控制提供根本的过程信息。

  传感器、真实的检测元件和仪表是iEAF系统的根本,包括多点NextGen烟气分析仪、炉压检测、烟气温度检测和烟气流速检测。设计这些传感器并安装在EAF(电弧炉)上下游的重要位置,用以实时采集必要的信息,从而计算出精确的质量和能量平衡,并得到工序的净能量。

  在上部位置,在电弧炉的弯管处安装了一个压力传感器,用于实时测量电弧炉的静态压力变化。设置单体多点式NextGen烟气分析仪,对应配置有两个烟气取样点,一个设在燃烧的缺口后面,用于对电弧炉内所有的关键气体组分在被助燃空气稀释前进行全光谱分析。另一个取样点设在电弧炉下游,用于对烟气进行分析,为质量/能量平衡的闭环控制提供信息。

  烟气的温度和流速同样采用特有的光学传感器进行检测(OTM(光学温度计)和OVM(光学流速计))。传感器都采用了封闭式保护盒,并使维护量最小化。两个传感器均作为iEAF系统的集成部分,并提供必要的过程信息即温度和烟气流速,用于热力学和质量损失计算。光学温度计对离开电弧炉的烟气温度进行检测。光学流速计则对离开电弧炉的烟气流速进行检测。全光谱烟气成分、流速、温度和压力检测共同为实时在线质量/能量平衡计算提供其所需的烟气全面信息,从而避免使用设定值。

  单体NextGen多点分析仪在电弧炉前部和后部共配置有两个取样点,是高度可靠的烟气分析仪,可以对电弧炉烟气中的组分进行全光谱分析,包括CO、CO2、O2、H2、H2O(蒸汽)和N2。系统采用新型融合技术,将高度可靠的气体分离方法和第一个烟气取样/净化结合在一起,在激光分析之前进行净化,激光分析响应快速,且能连续测量。

  工艺模型是iEAF系统的第二个组成部分,模型在传感器和检测仪表的配合下工作,对电弧炉工艺过程进行评估和解释。每个模型独立工作(如熔池液面模型、熔炼模型等),对电弧炉工艺过程的不同参数进行评估。模型运算结果用于计算电弧炉的净能量。

  净能量表示上料和熔池接收到的所有能量总和减去实际的能量损失得到的值,从每个炉次的开始–结束进行连续计算。已知电弧炉的总净能量,则电弧炉的重要控制参数——熔炼比(MP,%)即可计算出来。MP是总净能量与理论能源单耗和炉内所加原料重量之积的比值。MP与电弧炉的实时在线状态直接相关,与传统的kWh/t(吨钢电耗)控制方法截然不同,因为MP同时还考虑到了化学能的输入以及所有的能量损失。

  MP本质上代表了固体废钢和液体钢水之间的能量分布。从实践的角度来讲,100%MP即代表电弧炉内未融化的固体钢为0%,钢水含量为100%。持续超过100%MP,净能量计算则可解释为液体钢水的过热状态。因此,对于电弧炉操作人员而言,在第二次和第三次装料期间、取样时、信息记录和预计炉次结束时间时,MP均是电弧炉当前状态的指示性指标。

  iMeltShop可帮助协调整个生产线,支持和指导生产管理中需要作出的操作指令。iMeltShop系统的创新理念主要关注每一个炉次冶炼的钢种,使每个独立的生产工序保持操作的一致性从而优化结果。系统从确定熔炼订单开始,跟踪生产工艺流程直到钢水凝固。“工艺流程一体化”的理念与最终产品相联系是这种方法的核心。

  iMeltShop控制和调节所有参与运输环节的设备,促使它们以最优状态运行,从而达到资源占用最小化、效率最大化。通过改善产品质量的连续性和重复性,可以降低能源浪费总量以及成品残次品数量。同时,还有助于制定维修计划,并对工艺检修时停机和开机所需的时间和能源消耗进行预测。

  iMeltShop系统为工厂在不同模式等级下的灵活运行提供了机会。系统优异的潜能促进了不同工序成本和运行模式下性能优化的持续发展。iMeltShop的设计和构建基于模块化结构:短期计划、上料优化、工厂监控、钢包跟踪、工艺和操作管理、数据挖掘和报表,将来出于需求,很容易进行配置并提高适应性。值得注意的是,iMeltShop的操作员界面是基于Web技术,以网页形式呈现,只要通过常用的Web浏览器,就可以从任意联网的PC或移动设备上进行访问,不同用户等级权限不同。

  炼钢厂短期生产计划模块为炼钢厂典型的12-24h周期的详细生产计划和运行计划提供设定和管理支持。有限的时间范围可以忽略短周期时间约束,因此在系统计划程序环境下,所有炼钢生产请求具有相同的优先级。来自ERP系统的生产请求将被处理并为连铸设备生成最好的炉次计划,同时也会考虑产量目标和生产约束条件。

  对于普通的钢水(熔炼订单)请求,将被发送至一个或多个炉次生产,兼顾参数包括常规应用限制、参考值、特别限制、钢种参考值和正在生产中的产品。模块同时还可以作为离线的单独工具使用。对于没有ERP系统的情况,产品请求可以在iMeltShop系统中直接进行编辑。

  当短期计划模块生成生产计划和炉次安排后,iMeltShop开始执行上料优化计算,以使指定钢种的生产成本最小化。模块同时依据以下两个目标随时进行动态计算:1)从所有可用原料中选取成本最经济的原料组合;2)在每个工序中选择最有效的处理方式。

  上料优化模块同时考虑金属原料和非金属原料的上料,以及出钢钢包中需要添加的铁合金,以满足最终产品的质量目标。得到的最终熔炼计划包括整体生产成本,显示在HMI上,控制室管理人员即可根据操作建议运行每个设备。

  工厂监控模块的主要功能是提供快速而直观的生产工艺工况,并显示生产过程中的参数评估值。所有信息均基于生产工艺参数的实时拍摄或在线检测,并结合历史数据的分析。

  模块通过对数据进行动态分析,实时更新生产工艺,对与标准工艺处理时间相比可能出现的延迟进行预报。结果以各种图画或数据形式进行显示,如整个工艺过程的直观实时甘特图,或者个性化的关键参数“控制表”,均可在网页版HMI界面上进行查看。

  计算出的时间和性能指标作为系统其他模块的输入参数,对后续生产计划进行更新,并针对上下游工序与标准生产模式之间的偏差,最终确定某些可行的修正行为。

  钢包跟踪系统采用最先进的技术,可以对工厂内的钢包进行有效管理。每个钢包都配置有专用的无线信号收发器,当其通过无线电频率ID识别卡时,或从一个工作区域移动到另一个区域时,即可进行跟踪和身份确认。无源收发器采用“表面声波”技术,外层装有特定的保护箱,可以在高温条件下工作。

  钢包跟踪系统的基本要素包括:1)钢包物理位置自动检测;2)通过采集运行工序的信息和数据,与自动化和工艺控制系统互连,对钢包服役历史实时更新;3)使用中的钢包寿命监控,如果耐火材料指标达到预定的临界值,发出警报;4)标准的钢包安装方法,用于在对钢包内衬进行修补或重砌时提示耐材消耗量;5)使用中的部件消耗监控,指标达到预定的临界值时发出警报;6)使用中的特定部件监控,指标达到预定的临界值时发出警报。特定部件每完成一次操作,钢包跟踪系统都会收到通知信息。7)钢包跟踪系统跟踪每个钢包目前的组装状态及其在工序中的使用情况。

  iMeltShop系统的核心是工艺管理工具,根据运行过程中系统记录和分析的结果,提高整个生产线的协同性和效率。工艺过程的实时在线管理确保一旦生产偏离标准模式,能够做出快速和最有效的反应,从而帮助生产管理者和操作工做出正确的调整或是采取修正行为。

  过程控制模块旨在通过给出的目标参数和参考值,持续学习决策生成方法、进行确认和选择,改善生产。iMeltShop系统在几个不同的可选项中选择最优化的过程给出建议,以应对生产过程中出现的不利偏差,进行调整。修正行为的等级处于设备PCS和ERP系统之间。最终结果是反映整个生产工艺状态的动态化协同最优化。

  本模块的总体目的是抽取和挖掘工艺检测数据并通过iMeltShop系统进行记录,将原始数据转化为易于理解的报表,用于进一步的分析和应用。数据可以进行处理并按照管理要求生成个性化的报表。本模块的一个特点是,对有效操作与标准操作模式之间的偏差量进行分析,并可通过渐进性或突破性的改善,推动炼钢生产工艺的持续改进。

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