劉運橋
摘要：針對當前煉鐵高爐安全運行評估技術無法對爐缸內襯腐蝕數據狀態進行分析，導致評估結果可靠性較差的問題，設計新型煉鐵高爐爐缸安全運行評估技術。通過爐缸內襯腐蝕數據采集與計算、安全運行評估指標數據處理以及構建煉鐵高爐爐缸安全運行評估模型三部分，完成煉鐵高爐爐缸安全運行評估技術設計過程。構建應用測試環節，對此評估技術的使用效果加以分析。通過測試分析可知，此技術的使用效果優于當前技術，可對其進行推廣。
關鍵詞：高爐使用壽命；運行狀態評估；內襯腐蝕；運行狀態監測；模糊評價；設備健康評估
伴隨著生產力的高速發展，新能源與新型技術的開發與產品市場的擴充，現代化工業逐漸由傳統的集成發展轉變為柔性生產的模式，不論是冶金行業還是其他產品領域，每個領域都有其核心設備，如車輛中的發電機、發動器或是冶金行業的高爐等等，其運行狀態對于此行業的發展至關重要，一旦設備運行出現問題，將會造成經濟損害，甚至危害人們的人身安全，其后果對人們的生活將會造成巨大影響。
高爐的使用壽命是鋼鐵制造業產業化的重要基礎，為實現鋼鐵生產優質、低耗的目標，從經濟與安全的角度出發，盡可能延長高爐爐缸的使用壽命。在高爐的運行過程中，其爐缸為影響其使用壽命的關鍵部位，高爐爐缸異常狀態達到一定程度時，高爐的健康狀態也岌岌可危，在這種情況下是無法生產出高質量的鋼鐵的，還會影響產量與工作人員的人身安全。如何在復雜的工業過程中，對高爐爐缸進行健康管理與實時監測，以及應用歷史運行數據對其進行評估，成為當前工業健康維修管理中的重要問題。因此，本次研究在當前煉鐵高爐安全運行評估技術的基礎上，提出一種新型煉鐵高爐爐缸安全運行評估技術，希望通過此技術對高爐的運行狀態進行準確評估，以此提升高爐的維修與管理效果。
1 煉鐵高爐爐缸安全運行評估技術設計
高爐煉鐵過程工序復雜，同時需要協調工作，根據高爐煉鐵過程，在進行安全運行評估設計前，對大量的設備安全診斷以及評估方法進行了分析，通過監測高爐爐缸運行過程，爐缸內襯腐蝕數據采集與計算、安全運行評估指標數據處理、構建煉鐵高爐爐缸安全運行評估模型四個流程完成新型的煉鐵高爐爐缸安全運行評估技術，并將煉鐵高爐爐缸安全運行評估技術設計流程設定為下述形式，具體如圖1 所示。
由圖1 可知，本文根據高爐結構及工作流程，在爐缸運行的基礎上進行，根據上述設計結構選擇合適的方法與技術，對當前安全評估技術進行優化，完成本次研究目標。
1.1 監測高爐爐缸運行過程
高爐爐缸的運行與電氣、儀表、衡器以及操作設定密切相關，現將爐缸在PLC 控制器程序內的外部條件與內部條件進行可視化監測，將展現爐缸運行畫面，并開發獨立的樹狀圖，當爐缸出現運行異常時，高爐設備操作人員及維修人員僅需點擊相關窗口，便可實現進一步操作，及時處理爐缸運行中發現的故障。在監控高爐爐缸運行狀態時，對爐缸運行過程進行相關參數的分析，在線診斷爐缸運行中出現的故障，對高爐爐缸的主要監測包括對爐缸頂、槽下、東西渣等操作過程的實時記錄，為約束操作行為，設置高爐的關鍵操作日志，記錄高爐操作與維系人員對高爐的操作行為，利于在爐缸發生故障時查詢受存在認為操作的失誤。將高爐爐缸的重要儀表、電極、衡器重量以及邊皮電流的數據進行采集，記錄閥門開關到位的時間，通過對以上數據的存儲與管理，分析并預測檢測數據對爐缸運行趨勢的影響，發現爐缸狀態異常后及時發出預警，并統計相關的故障信息?？梢暬O測直觀展現爐缸運行數據，并實時展示在畫面中，并根據維修人員每天的點檢情況統計爐缸運行報警條數及故障條數，便于對爐缸工作情況進行整體評價。
1.2 爐缸內襯腐蝕數據采集與計算
由于外界干擾會對數據采集過程造成一定的影響，如數據采集裝置造成的數據損壞與丟失情況，為盡可能保證采集時保留大量的原始信息，本文在數據采集時剔除原始樣本集中的異常數據，并通過插值法修補異常數據，由于高爐爐缸的系統時間具有一定的滯后性，導致數據在采集過程中參數也具有滯后性，因此高爐數據對數據的時間序列要求較為嚴格，刪除異常值的方法會使原本數據缺失，因此不采用此方法，通過差值法使用數據附近的值來校正異常值，本文利用異常數據的前后四個時間的數據來進行校正。本次研究中將主要對高爐爐缸內存的腐蝕數據進行計算，由于爐缸內襯的腐蝕具有不可見性，高爐工作者多通過溫度監測的方式為其運行評估提供數據基礎，但此方法不可確定侵蝕發生位置，影響運行評估結果的可靠性。
1.3 安全運行評估指標數據處理
由于爐缸運行的復雜性及內部的不可測量性，爐缸內部的裝填情況無法被直接觀測，需要通過爐缸外部可以觀察的參數變動情況判斷爐缸的爐況，其中爐渣成分、料速等都是重要的狀態參數，根據煉鐵原理，狀態運行控制參數有風溫、噴煤等，若高爐爐缸出現狀態異常的情況，則應進行調控使爐缸恢復正常運行。本文根據高爐爐缸煉鐵的主要生產流程，以煉鐵廠中的某爐缸的運行數據為主要資源，選取爐頂壓力、平均溫度與煤氣成分、爐喉邊沿均溫、送風風量等指標作為爐缸安全運行的評估指標。將爐缸內襯腐蝕引入到安全運行評估指標中，并對新的評估指標體系中涉及到的數據展開處理。由于部分數據需使用傳感器進行采集，其數據易受到噪聲影響，造成數據使用結果異常的問題。為此，在本次研究中將對數據進行平滑處理。
在本次研究中根據相關領域專家指導，采用5 點3 次式處理，以此保證數據處理精度。使用上述計算公式，對數據中的尖峰與低谷起到彌補作用，消除數據中的噪聲。在數據處理結束后，為了保證數據具有代表性及采集的數據較為平穩，需要對數據進行平穩性檢驗，其中高爐爐缸在運行參數保持不變的特定時間內的數據時平穩可靠的，在對數據進行分析師，會出現頻譜泄漏的現象，因此需要對數據進行加窗處理，將數據傳輸信號加上一個窗函數，選用合適的窗函數進行截斷，改善截斷處的不連貫性。
1.4 構建煉鐵高爐爐缸安全運行評估模型
使用處理后的數據得到各指標特征向量，計算各個向量的指標權重。在爐缸安全運行評估中，指標權重僅為評估過程的一部分。爐缸各個功能模塊與零件的重要程度各異，因此必須選擇一個合適的算法對各指標的權重進行計算。本次研究將主要使用組合賦權法得到指標權重。
在已有層次分析法的基礎上，建立自上而下的層級結構，分析導致爐缸運行狀態下發生故障問題的所有元素及連接關系，將各元素進行分類分組，實現遞階層次關系，每層元素數目過多會給比較判斷帶來困難，因此每層元素設置數量不超過7 個。在遞階層次結構建成后，構建判斷矩陣，將相同層次的元素間的相對重要性給出一定度量的判斷，得出相對于準確的重要程度，進行標度定量化，判斷矩陣的建立常用1-9 比例標度法，具體標度如表1 所示。
由表1 可判斷矩陣中的各元素，當兩個不同的元素在比較中的數量極不平等時，分解高數量級別的元素，保證元素數量級一致，基于模糊綜合初始模型，對每一對象賦予一個是數值作為評判指標，是綜合評估指標大小反映全面評估的高低。使用上述公式可對評估結果展開較為精確地衡量，并根據此衡量結果對爐缸進行維護與管理。
2 應用論證分析
2.1 確定評估因子權重
利用下表中運行狀態下各因素權重即可評估出安全運行狀態下各因素權重，具體如表2 所示。
由表2 權重，計算平均值，得出各因素權重。
其次確定運動性變化量各因素權重的確定，根據本文使用的層次分析法，利用專家對各個因素的影響程度進行打分，得到各因素權重值，根據爐缸各因素變化趨勢對高爐爐缸安全運行影響程度的不同，每個因素后數字即為該因素比例尺度。
2.2 評估數據來源
本次研究中選擇煉鐵2500 立高爐作為研究對象，在現場采集高爐爐缸運行數據以及歷史數據作為本次實驗的數據基礎，具體采集結果如下表所示。
使用上述數據作為本次實驗過程中的數據來源，對高爐爐缸的運行效果進行評估，分析文中設計方法的使用效果。
2.3 實驗過程
根據上文設定的運行狀態評估技術，將獲取到的數據代入其中，對數據進行歸一化處理，得到下表中數據。
在獲取此數據后，按照數據處理要求完成數據歸一化處理，提取數據特征，根據層次分析法得到各評價指標的權重，獲取相應的評價結果。根據此原理對高爐運行的歷史數據進行處理，構建相應的評價模型，輸出高爐運行最終評估結果。為了更好地分析此文中提出評估技術的使用效果，選擇兩種當前使用中的評估結果與之進行對比，確定不同評估方法對高爐運行評估等級劃分的可靠性。為便于獲取實驗結果，將高爐運行狀態劃分為4個等級，1 至4 分別對應良好、正常、波動與異常四個部分，通過對比此數據確定評估技術的使用性能。
2.4 實驗結果分析
根據上述數據可以看出，文中設計技術所得結果與實測結果基本一致，說明此技術所得結果可靠性較高，其評估結果較為客觀、準確。當高爐出現問題，可在最短時間內完成維修工作，保證高爐的運行安全。從宏觀上把握高爐的運行狀態，為其管理與維護提供科學的決策依據。反觀當前使用中的兩種評估技術，其所得評估結果與實測結果相差較大，其所得結果可供參考的價值較低，無法為維修工作提供有力數據。綜合上述，實驗結果顯示本文設計的安全評估技術具有良好的使用效果。
3 結語
本文通過監測高爐爐缸運行過程，爐缸內襯腐蝕數據采集與計算，安全運行評估指標數據處理，構建煉鐵高爐爐缸安全運行評估模型，提出了一種新型的高爐爐缸運行評估技術，經應用測試表明此技術具有一定的科學性，可將其應用在日后的研究中。由于時間和條件的限制，此技術還有部分問題需要進行完善與優化，如對高爐爐缸所涉及的許多參量還需要在實際運行中進行驗證和補充，在參量獲取的同時需要加強對高爐爐缸運行狀態的監測，以保證獲取的參量更加精確。在日后的研究中將完成此部分內容，為鋼鐵行業提供合理的設備評估維護方法。