北京科技大学科技成果——高炉大修项目的可视化管理

高炉炉内监测技术的新进展高征铠（北京科技大学北京!"""#$）前言高炉是一个在高温高压条件下冶炼生铁的密闭反应器。

目前，工长通过常规的温度、压力、流量和煤气成分等检测结果来判断炉况、操作高炉。

对工长来说，高炉仍然是一个黑匣子。

根据高炉操作的需要，开发高炉炉内监测技术，打开高炉黑盒子，使高炉工长能及时了解高炉炉内的状况，变被动操作为主动操作是炼铁工作者梦寐以求的愿望。

为了改变现有炉内监测技术不足的状况，北京科技大学和北京神网创新科技有限公司发明了插入式炉窑摄像仪（专利号%&"’!’!()#*"），合作研制生产了高炉料面红外摄像仪和图像信息处理系统、高炉风口红外摄像仪和图像信息处理系统、高炉炉体监测与诊断系统等新型高炉炉内监测装置。

这些装置能在高炉生产条件下在线观察料面气流分布情况和炉顶设备运行状况、观察风口的工作状况和喷煤情况、了解炉衬的温度分布与侵蚀状况。

这些新型炉内监测装置，在打开高炉黑盒子状况方面取得了进展，获得的直观影像和图像信息对高炉工长操控高炉具有指导意义，已经在很多高炉上得到应用。

!高炉料面红外摄像仪和图像信息处理系统对高炉炉喉断面状况的检测需要推动了新技术的开发。

上世纪八十年代末、九十年代初，国内外研究开发了采用机械扫描方法得到高炉料面温度分布图像的“热图像仪”、“高炉炉顶料面温度摄像仪”，采用摄像机的“监视用摄像机”等装置，观察料面状况和分析料面的温度分布，用于指导高炉操作，在打开高炉黑盒子状况方面迈进了一大步。

受限于当时的技术水平和条件，装置形体大、价格昂贵，仪器安装在炉壳外部，观察孔很大、移动和防护装置复杂、扫描装置寿命短、保护气体用量大、生产维护费用高。

在高炉使用过程中镜头和视窗结灰问题一直没有解决，复杂的视窗活门和机械调焦装置经常出现故障，在高炉生产过程中不能进行维护和检修，只能等待休风时才能处理，因而没有得到推广应用。

科技成果——大型工业加热炉无人化控制与智能烧钢技术开发单位北京科技大学技术领域钢铁冶金成果简介结合国家“节能降耗”的背景，同时为节约成本提升产品市场竞争力，近年来各钢铁企业纷纷对能耗“大户”加热炉进行改造升级。

高效轧制国家工程研究中心致力于加热炉领域的研究已有十多年的历史，涉及范围广泛，包含热处理炉、隧道炉、蓄热/常规板坯加热炉、方坯加热炉等，拥有成套加热炉解决方案，并结合现场进行设备工艺诊断，定制适合每个个体的加热炉过程控制系统，达到提高产品加热质量、节能降耗的目的。

（1）基于炉温闭环控制的智能燃烧及炉温控制技术用于多种类型的加热炉过程控制系统，根据热值、残氧、压力等实时优化空燃比，从而有效地控制炉内气氛；（2）精准的板坯温度预报模型和出钢节奏预测是智能燃烧的前提，依据周期呈现的钢坯温度场分布、剩余在炉时间、出钢序列，预测出钢节奏；（3）变钢种规格混装以及延迟故障工况的感知，统筹协调所有钢坯的炉温需求，并根据延迟故障信息动态调配炉温设定。

应用情况多年来，与马钢、宝钢、柳钢、包钢、南钢、涟钢、邯钢、重钢、莱钢等国内钢铁企业合作的加热炉控制系统达20多项，加热炉控制自动化水平明显提升，提高产品温度精度和加热质量的同时降低了加热炉能耗和钢板氧化烧损，获得了巨大的经济和社会效益。

为产线智能制造的落地和实施打下了坚实的基础，具有很好的推广前景。

板坯温度预报模型：建模方法及温度场市场前景相关技术可应用到热处理炉、隧道炉和热连轧加热炉等。

投资估算和经济效益分析相关技术可以使加热炉控制自动化水平明显提升，提高产品温度精度和加热质量的同时降低加热炉能耗和钢板氧化烧损，获得了巨大的经济和社会效益。

为产线智能制造的落地和实施打下坚实的基础，具有很好的推广前景。

成果亮点1、具有自主知识产权，研究成果已申请发明专利1项，软著5项；2、在质量提升方面，温度预报模型精度±15℃达97.28%，智能化燃烧技术使得RDT温降标准差均值降低了2.45，提高了轧后温降的稳定性，同时烧损降低了0.01%-0.05%。

高炉内物质分布的三维可视化技术研究随着工业化的快速发展，炼钢工业作为基础性重要行业已经成为国家发展的重点领域，高炉则是炼钢的关键设备。

炼钢过程中，高炉是一个复杂的环节，高温下铁水冶炼所产生的物质在高炉内流动，物质的分布受到多种因素的影响，例如燃料供应、矿物质的类型、加入方式等。

理解高炉内物质的分布规律对于提升高炉冶炼效率和减少能源浪费具有重要意义。

因此，高炉内物质分布的三维可视化技术研究成为了炼钢工业的热点领域。

三维可视化技术是目前最流行的数据可视化技术，不仅可以用于仿真模拟、工业设计、视觉效果等领域，还可以用于炼钢行业的高炉内物质分布的可视化研究。

通过三维可视化技术，可以将高炉内大量的数据和信息以直观的方式呈现出来，使得工程师可以更加深入地了解高炉内的物质分布情况和运动规律，为优化高炉冶炼和改进设备提供更好的技术支持。

高炉内物质分布的三维可视化技术研究是一项十分复杂的任务，其中最重要的是数据采集和处理。

数据采集可以通过各种传感器和监测设备实现，比如热电偶、压力传感器、流量计等。

这些传感器和监测设备可以记录高炉内的物质流动、温度、压力等信息，并将数据发送到计算机系统中进行数据处理和可视化。

在数据处理方面，可以通过数据挖掘、统计分析和数学建模等技术提取出所需的信息。

在这些技术的支持下，炼钢工程师可以更加准确地了解高炉内物质的分布和运动规律，为实现高炉内物质分布的三维可视化提供坚实基础。

三维可视化技术在高炉内物质分布研究中扮演着至关重要的角色。

通过虚拟现实技术，工程师可以模拟出不同时间段内高炉内物质的运动轨迹、温度等参数变化情况，甚至可以根据实际情况调节高炉内的一系列参数，预测高炉的冶炼效果。

此外，三维可视化技术还可以帮助工程师观察高炉内的缺陷和漏洞，提供更好的解决方案，同时也可以降低对环境的影响，提高高炉的安全性能。

与此同时，为了更好地实现高炉内物质分布的三维可视化，还需要一定的硬件设施支持。

例如，在计算机软件方面，需要选择一款适用于高炉内物质可视化的工具或平台，比如Autodesk Memento、Mimic或ParaView，这些软件都具备快速大规模数据可视化的能力。

北京科技大学科技成果——转炉炉壳变形及寿命判
断研究技术
成果简介
本项目针对转炉炉壳发生的严重变形、危及正常生产的问题进行了研究攻关，利用现代先进的测试、有限元等多种技术，找出了炉壳变形的原因、规律和机理，对炉壳的残余寿命做出了正确判断并进行了整形处理，消除了设备的重大隐患，延长了炉壳寿命，创造了良好的经济效益。

利用激光轮廓测试系统对炉壳变形及温度分布进行了全面测量，找出了炉壳变形原因、变形速度及规律，并提出了抑制炉壳变形的对策。

对炉壳进行了多工况三维有限元大型综合分析，包括炉壳机械应力、膨胀应力、温度场及热应力、托圈应力以及支撑系统的应力。

计算模型有创新，通过计算掌握了炉壳变形场及应力场，并提出了炉壳与托圈的极限安全间隙的界限。

在国内外首次成功地采用了“火攻+机械牵引”方法，对大型转炉变形后的炉壳进行整形，使用效果良好，有效地延长了炉壳寿命。

对炉壳材料的各种基本物理性能进行了系统的实验研究，做出了不同材料在不同载荷和温度条件下的蠕变曲线，摸清了现有炉壳的蠕变规律，并对炉壳残余寿命进行了成功预测。

本项目达到了国际领先水平，并荣获1998年国家冶金科技进步一等奖。

经济效益及市场分析
本项目取得的所有研究成果均可推广到国内的氧气转炉上，这对延长转炉炉壳的使用寿命有着积极的意义。

该项目的研究成果已经成功地应用于宝钢300吨转炉，宝山钢铁股份有限公司认定，该项目共创造经济效益4198.43万元。

若将此项技术运用到各种转炉，也将获得可观的经济效益。

创新技术在本钢5号高炉中修中的应用王长波;奚艳波【摘要】本钢炼铁厂5号高炉1972年建成,2001年扩容大修,高炉在炉腹、炉腰以及炉身下部的B2和S1两段铜冷却壁是引进PW公司设计国内首次采用超长壁体.B2和S1两段铜冷却壁每段46块,每段冷却壁共有184根水管.由于冷却壁过长,受热应力作用容易变形,B2和S1两段铜冷却壁水管出现漏水.通过本次改造将二段冷却壁改为四段铸铜冷却壁,为尽早恢复炉况,利用中修进行改造,为保证工期,在中修过程中采用了科学管理和多项创新技术,使5号高炉提前投产,并短期内达产,创造了可观的经济效益.【期刊名称】《金属世界》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】3页(P7-9)【作者】王长波;奚艳波【作者单位】本钢炼铁厂;本钢炼铁厂【正文语种】中文2005年以来，炼铁厂对五炉冷却壁共进行7次大规模检修，检修总用时1113小时43分。

每次检修后短期内取得一定效果，但过一段时间又不断出现新的问题，而且破损频率加快，重复出现大量冷却壁水管损坏，造成高炉不顺，乃至炉身冻结等严重问题。

经分析是现在的炉身下部S1段（4000mm）、B2段（3693mm）铜冷却壁偏长，热变形热应力过大导致了水管和螺栓的破损。

现炼铁厂六炉、七炉和新一号高炉此部位冷却壁长度均为2000mm。

因此，公司决将五炉B2段和S1段铜冷却壁整体改造更换，彻底解决冷却壁水管漏水这一难题。

炼铁厂5号高炉2001年投产到2005年10月前，高炉B2段、S1段铜冷却壁运行良好。

从2005年10月以来，S1段冷却壁45#水管开始出现漏水，而后通过对S1段破损冷却壁分析，原因有两点：第一，铜冷却壁连接水管采用金属硬管连接，在冷却壁变形的情况下，它对冷却壁水管产生了约束力，使水管不能自由位移，同时在热疲劳的作用下，导致水管与壁体焊缝边缘处产生疲劳破损开裂。

第二，发现B2段及S1段铜冷却壁水管、炉壳之间及外部冷却壁波纹管被高炉投产前的二次炉体灌浆所灌死，也致使铜冷却壁水管与炉壳之间没有横向和纵向位移，造成S1段铜冷却壁水管被剪切破损漏水。

科技成果——钢铁企业氧气合理利用决策支持系统技术开发单位北京科技大学
技术领域节能与新能源
成果简介
氧气、氮气、氩气是钢铁企业重要的能源介质，制定空分机组合理的运行模式，实现气体供需平衡，对于减少氧气放散率、降低气体制备成本、节约能源消耗具有十分重要的意义。

氧气合理利用决策支持系统是一个利用数据库、知识库、模型库和友好的人机接口支持用户进行管理的决策系统，利用它可以实现氧、氮、氩系统的全面运行管理。

系统包括空分系统优化运行模型和各种特殊情况（包括高炉休风运行模型、转炉炉修运行模型、空分停机运行模型、停电空分运行模型、氢气站年修供氩模型等）的多个优化模型，为能源管理和决策人员提供决策依据，并结合专家的知识与经验，通过与系统资源的不断交互以及用户的参与，制定出合理、实用的氧、氮、氩生产计划和作业计划。

应用情况已在宝钢获得应用。

适用领域适合于钢铁联合企业。

技术先进性
决策系统是开放的，用户可以进行装备的调整，并参与决策；可有效降低生产成本，减少气体的放散。

合作方式技术许可。

北京科技大学科技成果——室状炉群计算机优化加热控制系统成果简介近几十年来，随着计算机技术的发展和自控水平的不断提高，均热炉群生产自动化控制技术也取得了一定的进展。

现有的均热炉群计算机控制系统，其技术水平大致可分为以实现合理空燃比为目标的基础自动控制、以钢锭加热数学模型为基础的优化加热控制和协调炼钢-浇注-加热及轧制等一条龙的优化控制和调度管理系统。

国内现有的22个初轧厂中已有15家配置了计算机控制系统，但是绝大部分是以燃烧控制为主，即控制的对象是炉温，而不是被加热的钢锭。

因此随时掌握钢锭在全部传输过程中热状态的动态响应，采取有效措施进行钢锭优化加热控制，实现均热炉群的最佳生产调度和管理一直是初轧生产中令人关注的研究课题。

该项目可以应用于冶金、机械等行业的周期生产的加热炉计算机控制，特别适合应用在炉群控制系统中。

经济效益及市场分析本项研究已成功应用在马钢、莱钢和宝钢等钢铁联合企业。

在详尽分析了各钢厂钢锭从浇注、冷却、加热到轧制的热工特点的基础上，建立了适合方锭、扁锭和圆锭的一维无限长圆筒控制数学模型，实现了均热炉群生产全过程的钢锭热状态动态跟踪。

以此为基础，开发出均热炉群的计算机优化加热控制和调度管理系统。

其中包括：均热炉群燃烧控制系统、钢锭优化加热控制系统、钢锭装出炉决策及状态估计、钢锭烧好动态预报模型、动态待轧处理策略以及生产数据管理、报表打印等。

从现场实际运行结果和热平衡测试结果可以看出：系统投运后可大幅度提高均热炉群的生产率、降低工序能耗，同时减轻工人的劳动强度，年经济效益在几百万元以上。

该项研究成果已分别于1993年和1996分别通过了山东省科委和冶金工业部组织的专家技术鉴定，并获得了省部级科技进步二、三等奖。