韓哲哲

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524072）

摘 要：近年來，鋼鐵行業(yè)正面臨智能化轉型，特別是傳統(tǒng)高爐煉鐵冶金工藝涉及大量密集型數(shù)據(jù)信息，在一定程度上加大了化驗數(shù)據(jù)、計量檢測的難度。而人工智能、大數(shù)據(jù)等關鍵技術不但能高效化處理高爐生產(chǎn)中的海量數(shù)據(jù)信息，還能科學分析潛在規(guī)律，并對傳統(tǒng)高爐煉鐵冶金流程進行優(yōu)化與完善，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等功能。文章針對高爐煉鐵冶金技術應用中存在的問題，基于人工智能構建數(shù)據(jù)煉鐵平臺，提出科學預測高爐鐵水硅含量及高爐鐵水溫度和爐溫等優(yōu)化策略，以此為高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)的綠色化、環(huán)?；D型奠定良好基礎。

關鍵詞：人工智能；高爐煉鐵冶金技術；智慧煉鐵平臺

工業(yè)大數(shù)據(jù)時代的到來為高爐煉鐵冶金產(chǎn)業(yè)變革提供了新機遇，其中人工智能主要用于分析高爐生產(chǎn)中形成的海量數(shù)據(jù)、搭建預測模型、模擬運算結果，而大數(shù)據(jù)技術則可以為人工智能提供相應的存儲和計算支持。在高爐煉鐵過程中利用大數(shù)據(jù)技術挖掘具有價值的數(shù)據(jù)信息，加強數(shù)據(jù)規(guī)劃、采集、預處理、存儲等過程的優(yōu)化，能夠有效縮短傳統(tǒng)高爐煉鐵冶金工業(yè)的生產(chǎn)工期，最大限度地提高資源利用效率。

1 高爐煉鐵冶金現(xiàn)狀

隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)時代的到來，高爐煉鐵冶金技術愈發(fā)完善和成熟，為推動相關專業(yè)技術的發(fā)展和創(chuàng)新，有關專家學者應積極開發(fā)動力學、熱力學相關的新型學科，全面推動高爐煉鐵冶金技術革新?，F(xiàn)代高爐生產(chǎn)行業(yè)離不開高爐煉鐵冶金技術，但中國鋼鐵資源的分配率和利用率逐年遞增，無形中加重了高爐煉鐵冶金工藝實施的復雜程度^［1］。高爐煉鐵冶金技術應用存在的問題主要體現(xiàn)在以下三方面：

1.1 技術落后

高爐煉鐵冶金工藝的技術水平低下，由此導致能源損耗過多，違背了低碳可持續(xù)發(fā)展原則，并且低水平的高爐煉鐵冶金工藝也無法保證技術生產(chǎn)效率，因此在工藝創(chuàng)新方面應以高效率為出發(fā)點，對傳統(tǒng)落后的高爐煉鐵冶金工藝技術進行創(chuàng)新。

1.2 環(huán)境污染

環(huán)境污染問題已成為現(xiàn)代社會各界廣泛關注的熱門話題，尤其在高爐煉鐵冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展中大范圍應用的煤粉，很可能引起嚴重的煙氣污染，這也使環(huán)境污染成為高爐煉鐵冶金工藝技術創(chuàng)新亟待解決的重點問題。

1.3 安全問題

在高爐燃燒技術實際應用過程中，極易發(fā)生煤氣爆炸等安全問題，特別是高爐噴煤粉技術應用過程中，受外界因素影響使得技術無法發(fā)揮應有的作用，由此導致高爐冶煉生產(chǎn)伴隨著各種安全事故。

2 基于人工智能的高爐煉鐵冶金技術

2.1 構建智慧煉鐵平臺

高爐煉鐵冶金工業(yè)流程極為復雜，并且各道工藝主體的工作環(huán)境也具有一定的特殊性，很難及時了解各道工藝流程中涉及的數(shù)據(jù)和反應狀態(tài)，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤或丟失的情況，很可能導致整個工藝流程的生產(chǎn)效率低下、污染嚴重、能耗增多，使得鋼鐵企業(yè)面臨嚴重的經(jīng)濟損失。基于此，鋼鐵企業(yè)應緊抓工業(yè)大數(shù)據(jù)時代改革的浪潮，借助物聯(lián)網(wǎng) +、大數(shù)據(jù)、云平臺、人工智能等技術構建智慧煉鐵平臺，不斷優(yōu)化高爐煉鐵冶金工藝流程，這也是促進高爐煉鐵冶金系統(tǒng)智能化發(fā)展的重要舉措，有助于鋼鐵企業(yè)各部門加強信息溝通交流的效率^［2］。在高爐煉鐵冶金生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還需要加強數(shù)據(jù)采集、存儲、預處理等功能，基于高爐煉鐵冶金工藝的機理，借助人工智能開發(fā)相應的數(shù)據(jù)模型，從而保證高爐煉鐵冶金工藝技術操作的信息化和智能化，有效彌補傳統(tǒng)高爐煉鐵冶金工藝生產(chǎn)中的存在的問題，并保證高爐生產(chǎn)水平。

在工業(yè)化大數(shù)據(jù)時代背景下，為突破傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)發(fā)展面臨的瓶頸，有關專家學者提出將人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)技術等融入鋼鐵行業(yè)，促進傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)升級轉型。在智慧煉鐵平臺建設中，可以從總結構、網(wǎng)絡架構、數(shù)據(jù)輸入輸出、組件 4 個模塊入手，其他企業(yè)的系統(tǒng)平臺主要圍繞著生產(chǎn)線發(fā)展，而智慧煉鐵平臺則由高校、研究所、鋼鐵設計院等主體構成了一個煉鐵生態(tài)圈，而大數(shù)據(jù)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術的興起則為數(shù)據(jù)共享和交流提供了新渠道。例如，某研究院建設的智慧煉鐵平臺主要包括呈現(xiàn)層、數(shù)據(jù)采集層、模型層、業(yè)務邏輯層 4 個組成，如圖 1 所示。呈現(xiàn)層作為用戶操作的基礎界面，為各崗位工作人員提供了信息查詢的平臺，相關工作人員可以通過登錄局域網(wǎng)上傳、查詢、存儲相關數(shù)據(jù)信息，且各崗位工作人員可獲得的訪問權限也并不相同，這在一定程度上保證了系統(tǒng)平臺的信息使用安全^［3］。數(shù)據(jù)采集層指相關工作人員可以查詢煉鐵系統(tǒng)儀表數(shù)據(jù)、人工輸入數(shù)據(jù)等，將其導入模型后，可按照模型特有的算法及建模方式，綜合分析、處理數(shù)據(jù)采集層中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。業(yè)務邏輯層可以反映這些數(shù)據(jù)信息處理的結果，借助大數(shù)據(jù)技術具有的分析功能，可以針對模型中呈現(xiàn)的原料、設備狀態(tài)、高爐狀況等基礎信息進行預警和監(jiān)測，幫助相關操作人員遠程操控高爐內外部情況，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果 確定具有針對性的優(yōu)化方案。

2.2 高爐鐵水硅含量預測

在高爐煉鐵冶金工藝技術實際應用過程中，通常需要科學預測鐵水硅含量，從而客觀評估鐵水質量、加強高爐控制。但高爐生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，在一定程度上加大了數(shù)據(jù)采集的難度，導致最終數(shù)據(jù)普遍存在異常、缺失等問題，從而影響高爐鐵水硅含量預測的準確性。而人工智能技術可以有效解決數(shù)據(jù)處理相關的問題，利用多元化的數(shù)據(jù)算法保證高爐鐵水硅含量預測的準確性。

模型算法作為預測建模的重要環(huán)節(jié)，相關研究者正在不斷嘗試對模型算法的工具和手段進行優(yōu)化與改進^［4］。此外，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)預測方法也逐漸在高爐鐵水硅含量預測中得到廣泛應用，該方法可以根據(jù)訓練數(shù)據(jù)自行挖掘輸入輸出之間的隱藏關系，客觀預測所需的數(shù)據(jù)信息。由于高爐煉鐵普遍具有作業(yè)強度大、作業(yè)環(huán)境復雜的弊端，相關工作人員很難完全采集多樣且復雜的數(shù)據(jù)信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型的特殊學習機理，即可保證數(shù)據(jù)信息采集的精確度。例如，粗糙集理論為高爐鐵水硅含量預測提供了科學的理論指導，通過簡化神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本，可以及時篩選不重要的數(shù)據(jù)信息，整體提高融合系統(tǒng)的工作效率。在神經(jīng)網(wǎng)絡模型中融合粗糙集理論，還能科學預測高爐鐵水硅含量，同時提高整個高爐生產(chǎn)效率。相較于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)字預測法，LSTM 可以有效解決預測時間序列中出現(xiàn)的延遲、間隔等問題，其中門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡具有誤差小、訓練時間短、預測準確度高等優(yōu)點。基于計算機編程語言融合數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)學建模等現(xiàn)代技術，既可以保證數(shù)據(jù)信息處理的效率和精度，還能為高爐鐵水硅含量預測提供多元化的數(shù)據(jù)算法，真正為高爐生產(chǎn)作業(yè)創(chuàng)造良好的服務條件。

2.3 高爐鐵水溫度及爐溫預測

由于高爐煉鐵冶金作業(yè)環(huán)境持續(xù)高溫，因此相關工作人員必須保證高爐運行的穩(wěn)定性，從而保證各項生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標的穩(wěn)定，同時取得可觀的經(jīng)濟效益。鐵水溫度作為衡量爐溫的重要指標，需要相關作業(yè)人員使用先進的測量技術，完成鐵水溫度的測量數(shù)據(jù)采集和存儲。相關工作人員應實時監(jiān)測鐵水溫度變化，保證鐵水生產(chǎn)質量，對鐵水溫度實現(xiàn)精準預測，同時靈活運用高爐生產(chǎn)中形成的數(shù)據(jù)信息。在高爐鐵水溫度及爐溫預測過程中，可以借助人工智能技術構建回歸預測模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型等^［5］。例如，基于多變量的高爐鐵水溫度回歸預測模型，相關工作人員可以根據(jù)高爐鐵水溫度模型的特點和規(guī)律，以多變量的時滯分析為前提，掌握高爐鐵水溫度時間序列的變化規(guī)律，并根據(jù)智能算法構建一個完整的高爐鐵水溫度預測模型。

在預測模型建設過程中離不開數(shù)據(jù)驅動功能，例如，專家系統(tǒng)模型可以根據(jù)數(shù)據(jù)驅動輸入人為編寫計算機程序，通過模擬人類專家解決問題時常用的知識和技術原理，來制定相應的方案和策略。因此，相關工作人員將某個特定領域的理論知識和技術原理上傳到計算機程序，即可借助數(shù)據(jù)驅動解決實際問題。

3 高爐煉鐵冶金技術的未來發(fā)展

3.1 研發(fā)新型節(jié)能工藝技術

在高爐煉鐵冶金工藝技術實際應用過程中，必須重視焦化、燒結兩個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高能耗，并將這兩個環(huán)節(jié)作為新型節(jié)能工藝技術研發(fā)的重點。在焦化環(huán)節(jié)改造中，可以積極引入爐型結構、計算機控制爐溫技術等，從而實現(xiàn)焦爐大型化技術的優(yōu)化與改造。在高爐煉鐵冶金工藝技術實施過程中，可以站在環(huán)保角度引入裝煤除塵環(huán)保技術，同時建立煙塵控制和廢水零排放機制，降低焦化工序中產(chǎn)生的大量能源損耗，切實提高高爐煉鐵冶金作業(yè)的環(huán)保水平。在燒結工序中，需要實施“厚料層-燃料分加-小球燒結”工藝，并對料層厚度、煤粉外加比例等參數(shù)進行調整，從而有效預防固體燃料大量損耗。為提高高爐生產(chǎn)效率和水平，人工智能還可以促進高爐煉鐵冶金作業(yè)的大型化，通過擴容改造等操作，增加現(xiàn)有高爐的平均容積，提高高爐的利用系數(shù)，必要時可以構建大型制氧裝置，通過建立多氧管路并聯(lián)機制實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標。

3.2 優(yōu)化高爐焦比與燃料比

在高爐煉鐵冶金作業(yè)中通常會產(chǎn)生大量的燃料消耗，而人工智能等現(xiàn)代化技術為鋼鐵企業(yè)轉型提供了助力，企業(yè)可以通過控制高爐焦比和燃料比，減少高爐煉鐵冶金工藝中產(chǎn)生的燃料損耗和風耗，從而保護周邊自然生態(tài)環(huán)境。調控高爐焦比和燃料比時，應注重高爐煉鐵冶金作業(yè)中實施的燃料分加、厚料層等操作，同時利用大型化燒結機改造原有的系統(tǒng)技術，以此保證高爐煉鐵冶金工藝的資源利用率^［6］。此外，在過篩技術實際應用中，其不但能減少粉塵顆粒的生成量，還能提升焦炭和燒結礦的過篩效果，從而取得理想的高爐煉鐵冶金作業(yè)成效，進一步提高煤氣質量。在高爐焦比和燃料比調控過程中，還應加強風溫控制，通過大噴煤量來提高鼓風機高爐熱量的循環(huán)利用率。

3.3 降低動力資源損耗

在高爐煉鐵冶金技術應用過程中必須處理動力源損耗，避免其增大系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的能耗。在實踐過程中相關工作人員可以對高爐鼓風機進行優(yōu)化和改造，確保鼓風機在高爐系統(tǒng)運行過程中保持良好的適應性。在鼓風機的排風處理過程中，同樣可以借助人工智能等技術控制鼓風機運行產(chǎn)生的能耗。此外，控制動力源損耗時，可以在高爐生產(chǎn)作業(yè)周邊建立制冷站，在減少冷卻水損耗的同時，提高冷卻水循環(huán)的利用率，在封閉狀態(tài)下提高冷卻水運行效率，通過降低滲水廢氣排放量來保護自然生態(tài)環(huán)境，確保冷卻水循環(huán)利用率符合零排放的標準。

3.4 保證生產(chǎn)工序的規(guī)范性

在高爐煉鐵冶金工藝實施過程中通常需要涉及多道復雜的生產(chǎn)工序和機組設備，其在運行及銜接過程中很可能產(chǎn)生龐大的功效損失，導致高爐煉鐵冶金系統(tǒng)產(chǎn)生大量能源損耗，加大鋼鐵企業(yè)承擔的生產(chǎn)成本。在高爐煉鐵冶金生產(chǎn)作業(yè)中，不僅需要規(guī)范高爐煉鐵冶金工藝的操作流程和工序技術，還需要將節(jié)能環(huán)保理念貫徹到高爐煉鐵冶金工藝和系統(tǒng)。在實踐過程中鋼鐵企業(yè)可以組織相關生產(chǎn)作業(yè)人員參加專業(yè)的技能培訓活動，并在培訓結束后設立技能測評和績效考核環(huán)節(jié)，要求相關生產(chǎn)專業(yè)人員達到技能測評的合格標準，才能正式參加生產(chǎn)活動，從而有效預防相關生產(chǎn)作業(yè)人員出現(xiàn)違規(guī)操作的行為。與此同時，鋼鐵企業(yè)還需要控制高爐放風作業(yè)的操作頻率，避免系統(tǒng)內部產(chǎn)生大量熱損耗。

3.5 提高系統(tǒng)熱能的回收利用率

由于系統(tǒng)機組運行缺少回收系統(tǒng)，導致高爐煉鐵冶金系統(tǒng)內部的熱損失和能耗損失不斷增大，嚴重弱化了系統(tǒng)機組整體的能源利用效率，并且高爐煉鐵冶金系統(tǒng)產(chǎn)生的能源損耗也隨之不斷增大，使得鋼鐵企業(yè)不得不承擔龐大的生產(chǎn)成本^［7］。因此，在高爐煉鐵冶金系統(tǒng)運行中，應重點關注系統(tǒng)熱能的回收利用率，借助高爐煉鐵冶金系統(tǒng)及相關節(jié)能環(huán)保技術，針對高爐煉鐵冶金作業(yè)制定科學的節(jié)能環(huán)保策略，利用熱源回收系統(tǒng)高效回收煙氣熱源、蒸汽熱源、系統(tǒng)余熱等，在確保冶煉效率和質量的基礎上，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)目標，促進高爐煉鐵冶金向著“雙碳”目標前進。

4 結 語

推動高爐煉鐵冶金行業(yè)的智能化轉型，已成為順應新時代發(fā)展趨勢的必然選擇，尤其在工業(yè)大數(shù)據(jù)時代背景下，高爐煉鐵冶金行業(yè)正式邁入智能化發(fā)展進程，其中大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術，不但能幫助鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)智能化、綠色化、低能耗、高效益等目標，還能打破高爐鋼鐵冶金行業(yè)面臨的信息孤島問題。在人工智能支持下可以積極構建高爐煉鐵大數(shù)據(jù)平臺，保證高爐生產(chǎn)水平。在低碳環(huán)保理念下高爐煉鐵冶金行業(yè)還需要緊抓工業(yè)轉型的新機遇，推動高爐煉鐵冶金行業(yè)流程綠色化，在提高煉鐵資源利用率的同時，打造協(xié)同化、智能化的高爐煉鐵冶金工藝。

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