丁成義 1，2 ， 常仁德 1 ， 郭勝蘭 3 ， 薛 生 1 ， 龍紅明 1，2 ， 余正偉 1，2
（1. 安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243032；
2. 安徽工業(yè)大學冶金工程與資源綜合利用安徽省 重點實驗室，安徽 馬鞍山 243032；
3. 寶鋼湛江鋼鐵有限公司能源環(huán)保部，廣東 湛江 524000）
摘 要：隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)、自動化控制等手段來實現(xiàn)燒結過程智能控制及性能預 測已經成為智慧煉鐵的發(fā)展趨勢。旨在綜述燒結過程智能控制和性能預測研究現(xiàn)狀，包括智能點火、料層狀態(tài)監(jiān)控、終點控制以及燒結礦性能檢測，并通過生產成本、質量、效率、控制和預測的準確率等多角度綜合分析不同技術的優(yōu)缺點。在智能點火方面，詳細分析點火工藝關鍵參數(shù)控制的重要性，指出機理分析法、數(shù)據(jù)驅動、PIDNN 控制算法和修正的 EID 技術等在智能點火方面的應用現(xiàn)狀。在料層狀態(tài)監(jiān)控方面，從料層溫度和漏風監(jiān)測 2 個方面展開敘述，在料層溫度控制方面，重點分析溫度模擬系統(tǒng)、Matcom、VC++以及多線程技術應用的準確率，同時介紹氧氣平衡分析法、流體力學、紅外熱成像技術對燒結機漏風監(jiān)測的影響。終點控制層面，系統(tǒng)討論了灰色理論、反向傳播神經網(wǎng)絡、AdaBoost. RS 算法、減法聚類和粒子群優(yōu)化方法等技術特點和優(yōu)化建議。燒結礦性能檢測領域， 涵蓋了燒結礦成分在線檢測和燒結礦性能預測與控制研究，通過 PGNAA、LIBS 以及基于 DNN 和 LSTM 的在線監(jiān)測等技術智能分析燒結礦成分，同時介紹機器學習算法和神經網(wǎng)絡等技術在燒結礦性能預測與控制方面的應用現(xiàn)狀。綜合介紹了燒結過程在信息化、智能化以及雙碳背景下的發(fā)展情況及應用效果，通過系統(tǒng)分析燒結過程控制發(fā)展現(xiàn)狀及特點，對未來燒結工藝在新形勢下的發(fā)展脈絡進行預測總結，為鋼鐵企業(yè)在燒結智能化研究領域提供理論和應用依據(jù)。
關鍵詞：燒結；智能控制；智能點火；終點控制；料層監(jiān)控；算法
智能化發(fā)展是燒結過程提效降本的關鍵。燒結是在高溫條件下將原料進行焙燒，使其發(fā)生各種物理和化學變化，進而使原料顆粒相互黏結形成一定強度的燒結礦，繼而作為高爐冶煉的含鐵原料。然而，燒結是一個多因素控制的黑箱模型，傳統(tǒng)的人工操作效率低、誤差大且缺乏穩(wěn)定性，這對燒結礦的冶金性能預測產生直接影響。隨著計算機技術和人工智能的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的局部自動化燒結已經無法滿足現(xiàn)代化生產的需求［1］ 。因此，智能化控制和性能預測在燒結過程中得到了廣泛研究和應用。例如，鞍鋼［2］ 利用人工智能和計算機技術創(chuàng)建了一個智能化的綜合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)燒結過程的圖像分析、終點控制和原料動態(tài)優(yōu)化，并獲得顯著的技術經濟效益。河鋼集團［3］ 應用人工智能和大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高爐冶煉過程預測、遠程可視、綠色制造以及氫能技術等。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，燒結過程智能控制的目的在于實現(xiàn)低碳、高效、環(huán)保的生產方式，以減少碳排放和資源消耗，同時提高產品質量和企業(yè)競爭力。中國制造 2025 倡議促進了冶金產業(yè)智能化、信息化和綠色化發(fā)展［4］ ，燒結工藝充分結合人工智能、大數(shù)據(jù)、傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理及模型建立與優(yōu)化等技術，將有助于實現(xiàn)綠色化發(fā)展趨勢，并通過實施“智能+”的方式來實現(xiàn)燒結過程的智能控制和優(yōu)化。新興技術給鋼鐵制造企業(yè)帶來了巨大機遇和挑戰(zhàn)，目前，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)在燒結過程智能化控制技術上面臨的難點有：首先考慮到燒結過程的復雜性，智能控制和性能預測技術難度較大，需要將眾多因素的相互影響和變化規(guī)律加以考慮；其次主要是對大量實時數(shù)據(jù)的需求，不完善的數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)質量的不穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)分析能力的不足，會對燒結過程智能控制的穩(wěn)定性和準確性產生影響，從而限制了該技術的應用和推廣［5］ 。本文展望了燒結過程智能控制及燒結礦冶金性能預測的發(fā)展趨勢，并針對未來的研究提出了重點關注的問題和挑戰(zhàn)，同時提供了一些可能的解決方案。此類技術研究在提高燒結礦冶金性能、促進燒結工藝可控性、降低生產成本、提高生產效率以及促進工序一體化和綠色化發(fā)展等方面具有重要意義，通過不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，有望實現(xiàn)更廣泛的應用和推廣。智能化在鋼鐵領域的發(fā)展必然是一個漫長的階段，這需要眾多科研工作者共同努力來創(chuàng)造一張屬于智能化鋼鐵領域的藍圖［6］ 。
1 燒結過程概述
1. 1 燒結工藝流程及其特點
鐵礦燒結是將鐵礦粉、燃料、熔劑及各種返礦等原料在一定條件下焙燒黏結為人造富礦，進而為高爐煉鐵提供原料［7］ 。燒結杯試驗流程包含配料、混料、制粒以及布料、燒結作業(yè)和冷卻處理等步驟。圖 1 所示為燒結工藝流程。
鐵礦粉需要確保其品位高和成分穩(wěn)定，熔劑的加入可以改善燒結礦的黏結相種類及數(shù)量［8］ 。無煙煤和焦粉是提供燒結熱量的典型燃料，而高返和內返則是提高燒結制粒性能的母核成分［9］ 。配料和混料流程包括確定原料比例以促進化學反應、精確控制原料粒度以確保物料流動性以改善燒結性能。混合使成分均勻分布，并且水分適宜造球，進而獲得具有良好粒度組成的混合料?？蛇x擇一次或二次混合，在中國多采用二次混合以確保制粒效果。作為燒結生產的關鍵環(huán)節(jié)，燒結作業(yè)涵蓋了布料、點火和燒結等步驟。在布料過程中，需要確保鋪底料和混合料均勻地分布在臺車上，點火過程要維持溫度為（1 250±50） ℃。
燒結過程的復雜性讓簡單的數(shù)學方法和理論分析難以精準地識別其特點。根據(jù)實際生產中的經驗總結表明，由于其過程長、環(huán)節(jié)多和機理復雜等特點，燒結工藝難以精確調控［10］。因此，燒結過程智能控制技術是解決這類復雜大型系統(tǒng)控制問題的有效途徑。
1. 2 燒結過程參數(shù)
燒結過程參數(shù)主要可分為以下5種，如圖2所示。
為優(yōu)化燒結過程及提升產品質量，需關注原料參數(shù)（粒度分布、孔隙率、含水量等物理特性及全鐵、堿度、亞鐵等化學成分）［11］ 、設備參數(shù)（燒結機風速、進料速度、燒結機壁溫度等參數(shù)）、狀態(tài)參數(shù)（風箱廢氣溫度和終點溫度等）和操作參數(shù)（點火溫度等），同時，性能參數(shù)（燒結礦強度、化學成分、冶金性能等）也是重要的考慮因素［12］ 。
1. 3 智能化控制概念及特點
智能化控制是一種新型的自動化控制方式，其基于先進的技術和算法，融合大數(shù)據(jù)、傳感器、自適應控制以及人工智能等多種技術，能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù) 、操作模式和決策過程的智能化管理和優(yōu)化［13］。智能化控制的特點包括自學習與自適應、實時監(jiān)測和預警、最優(yōu)化能耗管理、數(shù)據(jù)多源化及智能決策控制，具體特點如圖 3 所示。這種控制方式通過集成和協(xié)同運用各種技術手段，達到提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和可靠性的目的，有助于實現(xiàn)更高效、可持續(xù)和安全綠色化的生產。智能化控制系統(tǒng)在燒結過程中可實現(xiàn)點火、料層狀態(tài)監(jiān)控、終點控制以及燒結礦性能檢測等方面的智能化，進而提高燒結過程中的生產效率、產品質量以及能耗利用率，使燒結過程更加智能、高效和穩(wěn)定［14］。不僅在燒結方面，智能化控制在工業(yè)生產和自動化領域已成為一大新興發(fā)展趨勢，智能化冶金將推動冶金產業(yè)向著更高效、安全和可持續(xù)的方向發(fā)展，這也提升了整個冶金生產鏈的智能化水平和競爭力［15］ 。
2 燒結過程智能化控制應用現(xiàn)狀
鐵礦石燒結質量指標實時估算的重要性不言而喻，但是由于其復雜性，對建模帶來了一定的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，YANG C 等［16］ 提出了一種融合遞歸神經網(wǎng)絡和偏最小二乘（GRU-PLS）的模型，用于預測成品燒結礦的氧化亞鐵（FeO）含量。
該模型在利用傳統(tǒng)潛變量方法的基礎上，結合每對潛變量之間的深層內部結構，進而捕捉非線性和動態(tài)信息。通過使用華南某大型鋼鐵集團的實際數(shù)據(jù)進行評估，結果顯示 GRU-PLS 模型相比其他模型具有更小的預測誤差。
此外，南開大學的于晗等［17］ 研究了智能化控制系統(tǒng)如何在整個燒結過程中實現(xiàn)節(jié)能減排。該系統(tǒng)分為源頭、過程和末端3個部分。在源頭配料的智能控制方面，利用了“雙平衡”約束方法，降低了燃料消耗和污染。節(jié)能減排智能輔助診斷決策系統(tǒng)在多方面取得了明顯效果，包括減少固體燃料和電力能耗，降低 NOx、SO2及顆粒物的排放。這項研究在實現(xiàn)智能化的同時，又為中國的“雙碳”目標貢獻了一份力量。呂慶研究團隊［18］運用大數(shù)據(jù)平臺輔助和機器學習技術，設計出一種精準預測燒結生產結果并實現(xiàn)最優(yōu)化運作的模型，以保證燒結礦質量的穩(wěn)定性。通過梯度提升樹算法構建了燒結終點預測模型，預測命中率高達 99%。該研究對燒結行業(yè)未來的發(fā)展具有重要意義。
近年來，有多個研究團隊提出了不同的智能控制系統(tǒng)和模型，以提高鐵礦石燒結質量指標和控制效果。例如，AN J 等［19］提出了一種基于工況識別的智能控制系統(tǒng)，用于精確控制點火參數(shù)和溫度。該控制系統(tǒng)由工況識別模塊和不同的模糊預測控制器構成。針對每個特定工況，設計了相應的模糊預測控制器，包括基于粒子群優(yōu)化的 Elman 預測模型和模糊控制器。試驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠在復雜環(huán)境下準確控制點火溫度，減小燒結廠的控制誤差，滿足實際控制需求。FAN X H 等［20］設計了一種基于風機變頻的燒結過程智能控制模型，通過激活專家控制系統(tǒng)和模糊控制器，實現(xiàn)對燒結生產的穩(wěn)定控制。該模型在保證生產穩(wěn)定的同時，降低了燒結生產的能耗，實現(xiàn)了更加穩(wěn)定、高效和精確的燒結生產。另外，WANG C S 等［21］提出了一種分層智能控制系統(tǒng)，其中包括燒結終點（BTP）和卷影復制服務（VSS）軟感知模型，能夠實現(xiàn)對鏈速度的穩(wěn)定追蹤控制以及交換過程信息數(shù)據(jù)等功能 。
通過這種方式，波動問題得到有效避免，并且顯著提高了燒結礦產質量和燒結機的利用率。此外，LIU S 等［22］利用 Java 和 Python 語言構建了4個模型，即燒結批次優(yōu)化模型、燒結層滲透率預測模型、燒結終點控制優(yōu)化模型和燒結礦質量預測評價模型。這些模型在大數(shù)據(jù)的支持下，能夠實現(xiàn)關鍵參數(shù)的實時分析、智能預警、決策優(yōu)化和故障追溯等功能。該系統(tǒng)為操作人員提供了最佳生產指標，顯著地提高了燒結工藝智能化的生產效率 。
LAITINEN P J 等［23］ 基于前饋神經網(wǎng)絡建立了數(shù)據(jù)驅動的建模方法，研究操作參數(shù)對燒結礦質量、生產率以及燃料消耗的影響。模型能夠很好地描述輸出變化，通過分析輸入變量，能夠預測輸出結果并總結輸入與輸出之間的相互作用關系。近些年有關燒結智能化模塊 使用算法及應用效果總結見表1。
以上包含多個關于鐵礦石燒結過程智能控制和質量指標估算的研究。這些研究利用各種技術手段，如遞歸神經網(wǎng)絡、偏最小二乘以及分層智能控制等解決燒結過程中的復雜性和挑戰(zhàn)性問題，提高了燒結品質預測的準確性、生產效率以及節(jié)能減排。但仍有以下幾個方面需進一步優(yōu)化，首先，不斷加強模型的準確性和高效性；其次，需要綜合考慮環(huán)境因素，建立更綜合全能的控制系統(tǒng)；第三，在智能控制的基礎上，強化節(jié)能減排力度；最后，在追求高效的同時，注重燒結行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［24］ ?？偠灾?，燒結過程智能控制技術在不斷的創(chuàng)新和研究下，將會為燒結行業(yè)帶來更高的效益和發(fā)展空間。
3 燒結過程智能控制工藝模塊分析
3. 1 智能點火
3. 1. 1 燒結點火工藝概述
燒結過程中的關鍵環(huán)節(jié)是燒結點火，為給混合料提供足夠的熱量使其可燃燒，并在爐內的煙氣作用下逐漸干燥和脫碳，以實現(xiàn)理想的燒結效果。燒結點火的強度控制極為重要，若強度過低，則表層強度不足，無法形成完整的餅體；若強度過高，則表層過度熔化，降低產品質量并造成浪費。為保證燒結礦的質量，在控制燒結點火的同時，需正確掌握影響點火的各種因素，包括使用氣體壓力、操作溫度、臺車速度和氣體噴嘴阻力等［25］ 。優(yōu)化控制關鍵參數(shù)是實現(xiàn)燒結點火最優(yōu)化控制的重要手段。手動操作點火爐的機速、熱值和煤氣壓力等參數(shù)難以確?？諝馊剂媳茸顑?yōu)，且不正確的參數(shù)控制會導致煤氣不完全燃燒，從而無法有效控制點火溫度。因此，開發(fā)先進技術實現(xiàn)智能化控制，對于提高燒結點火爐效率及減少污染是至關重要的。
3. 1. 2 點火工藝關鍵參數(shù)控制
近年來，國內的大多數(shù)燒結廠使用焦爐煤氣或高爐煤氣進行燒結點火。燒結點火的操作參數(shù)包括強度、溫度、時間和空燃比，這些對燒結過程產生了重大影響。因此，合理設置和控制燒結點火參數(shù)至關重要。
點火強度是指混合料單位面積獲得的熱能，其取決于導熱系數(shù)、溫度分布以及加熱時間和方式等。高點火強度會引起原料表面焦化和氧化等問題。因此，應根據(jù)實際情況優(yōu)化和調整點火強度，以適應不同工況［26］。燃料配給量對點火溫度具有重要影響，其直接關系到控制每個環(huán)節(jié)的溫度。因此，實際生產中更需要一種能夠動態(tài)調節(jié)點火溫度的智能控制裝置，以適應不同環(huán)境下的需求［27］ 。李萬宏［25］ 提出了一種點火溫度模糊 PID（比例-積分-微分控制器）控制器，該控制器可以根據(jù)不同環(huán)境動態(tài)調整點火溫度的設定值，從而實現(xiàn)點火過程的自適應控制，其被應用在燒結點火智能控制系統(tǒng)中，總體結構如圖 4 所示。點火時間是指混合料在點火器段內的停留時間，其取決于燒結設備的類型、燒結原料性質和燒結工藝參數(shù)的選擇，此外，控制燃料氣體的空燃比（空氣和燃料比例）有助于避免煤氣不充分燃燒或浪費資源［27］ 。
3. 1. 3 燒結點火智能化控制相關研究
張斌［28］設計了一個基于光纖環(huán)網(wǎng)（以太網(wǎng)）和PROFIBUS（過程場總線）控制網(wǎng)的燒結機自動點火控制系統(tǒng)，其點火爐控制系統(tǒng)設備結構如圖 5 所示［28］，實現(xiàn)了主操作畫面、報警打印和歷史趨勢顯示等功能，可以滿足生產工藝需求和減少人員勞動強度。DU S 等［29］ 構建了一種基于點火溫度預測的燒結點火過程智能控制模型，該模型融入了機理分析法和數(shù)據(jù)驅動法，進而實現(xiàn)對點火溫度的智能控制以及氣體流量的監(jiān)測。經過試驗表明，此模型可以在氣體壓力不穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)對點火溫度的有效控制，其預測結果如圖 6 所示（該圖源數(shù)據(jù)來自參考文獻［29］）。ZHANG C F 等［30］設計出一種遵循控制方法的模型，最終實現(xiàn)通過總線設備來智能控制點火溫度和氣體流量等。此設計滿足工業(yè)需求，對提高燒結礦產質量有一定的幫助。YING YQ 等［31］ 設計出一種基于 PIDNN（比例-積分-微分神經網(wǎng)絡）的點火智能控制系統(tǒng)，將 PIDNN 控制算法與專家系統(tǒng)相結合來實現(xiàn)最終的點火智能控制 。
該系統(tǒng)在某鋼鐵廠投入運行后，其點火溫度可以實現(xiàn)穩(wěn)定控制，進而節(jié)約了人工成本和提高了資源利用率。CHEN X 等［32］ 提出一種基于修正的 EID（電子識別技術）燒結點火控制模型，同時還開發(fā)了一種迭代子空間建模方法來預測時間延遲和估計模型參數(shù)，通過一個額外的延遲元件，使得 EID 預測和實際擾動的相位差趨近于零。通過模擬驗證了該方法的可行性，為點火智能控制的研究提供了新的研究方法。智能點火使用方法及應用效果總結見表 2。
當前的智能點火控制技術在一定程度上達到工藝需求，并實現(xiàn)了節(jié)能降本和自動化控制，同時還保證了出色的點火效果。但是，機理分析法需要大量的先驗知識以及依賴于準確的模型；數(shù)據(jù)驅動法對數(shù)據(jù)質量要求高還可能出現(xiàn)過擬合 ；EID 技術的使用存在一定的風險性以及技術會受到限制 ；PIDNN技術的計算量很大、控制器參數(shù)難以調整以及神經網(wǎng)絡模型不夠精確。針對以上難點，建議從以下方面入手：1）為了更好地應用機理分析法，可通過查閱文獻和數(shù)據(jù)，并進行整合；2）對于數(shù)據(jù)驅動法，要確保數(shù)據(jù)的質量，同時要有針對性地去選擇最相關和具有代表性的特征 ；3）可以通過優(yōu)化算法、改進傳感器設計和增加冗余度等措施來提高 EID 技術的穩(wěn)定性和可靠性；4）對于 PIDNN 技術的困難，可以采用模型簡化和參數(shù)優(yōu)化的方法［33］。此外，新型的燒結智能化設備將具有優(yōu)異的可靠性、快速反應、高準度、低功耗、安全性以及可擴展性特征，以便有效地應對市場上不斷增長的需要。
3. 2 智能料層狀態(tài)監(jiān)控
3. 2. 1 料層溫度
燒結料層溫度在燒結過程中扮演著重要的角色，直接影響料層性能和結構。一般而言，燒結時間延長以及燒結溫度和壓力升高會導致料層溫度上升。然而，過高的溫度會破壞料層結構，過低的溫度則會造成料層不穩(wěn)定，進而導致料層失去原有的形狀和穩(wěn)定性。而在考慮料層溫度變化的同時，還需考慮燒結溫度、壓力和時間等因素的影響，以便更好地控制料層溫度。
中南大學的范曉慧等［34］運用眾多物理化學過程，通過對料層與抽風之間的傳質傳熱流動進行詳細的描述，建立了一套料層溫度模擬的系統(tǒng)。該系統(tǒng)經過試驗驗證，可實現(xiàn)對任意高度料層氣體溫度的實時計算，且其預測準確率高達 90%。彭坤乾［35］ 運用 Matcom、VC++以及多線程技術，建立了一個能夠解決雙曲型偏微分方程收斂問題的燒結料層溫度廠模擬系統(tǒng)，能夠提供料層溫度分布情況。
當燃料配比為 5. 3% 時，其仿真結果在準確度方面可達 90% 左右，如圖 7 所示（該圖源數(shù)據(jù)來自于參考文獻［35］）［35］ 。此研究對提高燒結礦產質量和減少能耗具有重要的指導作用。有關料層溫度監(jiān)控使用方法及應用效果總結見表 3。
根據(jù)以上研究可知，燒結料層溫度檢測技術的預測準確率已達到 90%，而且對料層溫度的計算也更加精準，在料層溫度監(jiān)測系統(tǒng)的作用下，可以有效提高燒結礦產質量、成品率以及燒結機利用率。因此，可以說這一技術取得了不錯的成效。但是，由于料層溫度控制系統(tǒng)的復雜性，實時監(jiān)測料層溫度的準確性仍有待進一步提高。此外，料層溫度的變化對整個燒結過程有很大影響，需要對料層溫度進行動態(tài)調整的技術尚不成熟。同時，實現(xiàn)料層溫度監(jiān)測所需要大量數(shù)據(jù)的獲取與處理也存在一定困難。隨著未來人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信技術的發(fā)展，將為料層溫度監(jiān)測帶來新的機遇［36］，該類技術的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）實時監(jiān)測料層溫度，通過大數(shù)據(jù)可以準確識別各處料層的實時溫度情況；2）溫度分布的精確控制和實時調整，通過物聯(lián)網(wǎng)實時調整并控制溫度分布情況；3）數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理，通過 5G 通信傳輸數(shù)據(jù)并提供遠端監(jiān)測服務。
3. 2. 2 漏風監(jiān)測
燒結機漏風是指因溫度變化而產生氣流運動的現(xiàn)象，對燒結礦產質量會產生負面影響，并增加能耗。因此，燒結機漏風監(jiān)測對于提高鋼鐵生產效率至關重要。本節(jié)主要探討當前燒結機漏風監(jiān)測的研究成果、不足以及發(fā)展趨勢。
青島大學的張安煜［37］ 針對燒結機漏風問題，研發(fā)了一款在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過氧氣平衡分析技術，實現(xiàn)對主要漏風部位的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)將燒結機風箱段的平均漏風率降至 15%，并提出了一套針對臺車段漏風的控制方案，使得年平均臺時產量提高 10 t/（臺•h）。CAI J 等［38］ 基于流體力學的知識提出了一種數(shù)學模型，用于預測燒結機在穩(wěn)定狀態(tài)下通過孔洞漏氣的流速及對關鍵部位的影響。同時，研究者們也提出了一種新型通用孔床模型，以提高其精度。最終，通過該研究得到了快速估算模型，可為燒結機漏風監(jiān)測更加精確和強大計算工具的開發(fā)提供重要的指導，該技術具有巨大的應用前景，而且為將來改進新技術提供了一定的借鑒價值。
此外，東北大學的張余謙團隊［39］ 通過數(shù)值模擬研究燒結機風箱及支管的溫度場分布規(guī)律，比較漏風和不漏風情況下的差異，并改變漏風口參數(shù)來探究其對溫度場的影響。在此基礎上，提出了紅外熱成像漏風檢測法并用高精度紅外熱成像儀進行試驗證實，其工作原理如圖 8 所示。試驗結果表明，仿真數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)基本一致，這證明了該方法的可行性。 有關漏風監(jiān)測使用方法及應用效果總結見表 4。
目前，采用的方法在顯著降低燒結機的漏風、提高燒結礦產質量、達成節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的同時，也帶來巨大的經濟效益。但漏風監(jiān)測的不足在于檢測方法和設備較為簡單，檢測精度和效率較低，也容易受外界環(huán)境因素影響。因此，燒結漏風檢測技術未來會發(fā)展為更精確的檢測方法、更高效的檢測設備以及更完善的檢測體系，進而提供更可靠的檢測結果。從技術和實施方面來說，采用空氣動力學和煙霧檢測技術進行精確檢測，開發(fā)新型漏風檢測軟件、引入新的檢測技術以及利用機器學習技術的智能化檢測系統(tǒng)等方法，可以提高檢測效率和可靠性［40］ 。
3. 3 智能終點控制
3. 3. 1 燒結終點控制概述
燒結終點（BTP）是混合料在燒結機上垂直燃燒速度的反映，其指的是煙氣溫度開始下降的位置。為充分發(fā)揮燒結機的性能并保障物料質量，BTP 控制在倒數(shù)第 2 個或第 3 個風箱位置較為理想。由于多種影響因子和大滯后特性，實現(xiàn)生產過程中 BTP 的精確控制是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。包括混合料的水分、料層厚度、點火溫度以及臺車速度等這些影響因子，都需要充分考慮并做出相應調整，才能確保 BTP 的準確控制［41］ 。
由于受到臺車速度的影響，燒結終點位置的準確控制是一項極具挑戰(zhàn)性的任務。目前，國內外研究對燒結終點位置判斷有以下幾種方法：1）風箱廢氣溫度判斷法，采集尾部風箱廢氣溫度值，通過最小二乘法或三點法曲線擬合來間接得出燒結終點位置，這種方法成本低、精度高［41］ ；2）風箱廢氣成分判斷法，該方法采集廢氣中 φ（CO2）/φ（CO）的比值達到最高值來判斷 BTP 位置［42］ ；3）負壓發(fā)，就是根據(jù)抽風負壓的檢測來判斷 BTP，當燒結結束后，如果風箱的負壓基本保持不變，則此時的風箱位置就是 BTP［43］ ；4）機尾 CCD 圖像判斷法，通過安裝在機尾部的 CCD 攝像機對斷面及其圖像進行分析得出燒結終點位置，但其準確性不太高［44］ 。
3. 3. 2 燒結終點預測模型研究
由于以上 BTP 判斷方法都會有很大的滯后性，因此要想提高燒結穩(wěn)定性和燒結礦產質量就需要對 BTP 進行提前預報。WU M 等［45］ 運用灰色理論和反向傳播神經網(wǎng)絡建立了 BTP 預測模型，并利用模糊控制、預測控制和開關控制構建了混合模糊控制器以實現(xiàn)對 BTP 的準確控制。通過實踐表明，該系統(tǒng)有效地抑制了 BTP 的波動，提高了燒結礦的產質量，而且也保障了生產的安全性。汪森輝等［46］ 提出了一種基于改進的 AdaBoost. RS（自適應增強的推薦系統(tǒng)）算法和極限學習機相結合的 BTP 位置預測集成算法模型。該模型的預測效果如圖 9 所示（該圖源數(shù)據(jù)來自參考文獻［46］）。研究結果表明，當絕對誤差小于 1. 6 mm 時，該模型的結果命中率高達 97. 4%，相較于傳統(tǒng)方法，該模型大幅度提高了 BTP 位置預測的準確性。DU S 等［47］ 提出一種利用模糊時間序列的 BTP 預測模型，該模型通過調整因子將響應預測模型和混合預測模型組合而來 。 通過實際生產的檢驗表明，該模型優(yōu)于其他模型的性能，其預測性能更加顯著。同時，該模型也為燒結過程的 BTP 預測奠定了基礎。
3. 3. 3 燒結終點控制模型研究
鑒于燒結過程的復雜、時變和非線性特征，傳統(tǒng)控制模型已難以滿足生產需求，因此，學術界開始探索將智能算法和 BTP 控制模型相融合，以提高模型性能。袁曉紅等［48］使用最優(yōu)控制算法建立了燒結過程的最優(yōu)控制模型，用于控制燒結過程中的終點溫度和點火強度。該模型采用了神經網(wǎng)絡進行建模，其結構如圖 10 所示。而且，其自適應能力強，能在不同工作條件下保證高準確性和高控制度，燒結礦產量得到有效的提高。此外，魏玉龍［49］ 運用減法聚類和粒子群優(yōu)化方法對 PBF（可編程布局結構）神經網(wǎng)格進行優(yōu)化，并建立了 BTP 預測模型，試驗表明該模型的預測誤差在 0. 2 個風箱范圍 內的準確性達到 82%。同時，該團隊還使用最小二乘法創(chuàng)建了辨識模型，并設計了變量域模糊控制器來實現(xiàn)對 BTP 的可靠控制。有關燒結終點預測、控制模型使用方法及應用效果總結見表 5。
通過對燒結終點預測和控制模型的研究可以看出，在不同算法的應用下，燒結終點預測和控制的準確率已經達到很高水準，也成功實現(xiàn)了對 BTP 的最優(yōu)化、預測以及可靠性保障。盡管如此，這些算法在此方面的應用也存在一定的不足，具體來說，如灰色理論和反向傳播神經網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)的要求非常高；AdaBoost. RS 算法的預測效果依然有待提高；模糊時間序列對于長期預測，可能會出現(xiàn)誤差累積問題以及需要大量的訓練數(shù)據(jù)；最優(yōu)控制算法對工作條件的適應性不夠強；減法聚類和粒子群優(yōu)化方法的預測準確度還有待提高。因此，未來可以研究如何利用高性能計算技術來提高燒結終點控制模型的處理速度，以及研究如何采用云計算技術，將計算過程遷移到云端，提高計算速度，實現(xiàn)燒結過程的遠程控制［50］ 。其次，還可以提高模型的復雜程度，考慮引入多因子影響、多目標優(yōu)化以及多尺度分析等。而且將來的模型需要具有更強的容錯能力和適應性，以便能夠實時進行優(yōu)化調整［51］ 。
3. 4 智能燒結礦性能檢測
3. 4. 1 燒結礦性能檢測概述
燒結礦含有多種化學成分，包括 Fe2O3、MnO2、 CaO、MgO、TiO2、ZnO、ZrO2、Al2O3、BaO、Cr2O3、VO等。在燒結過程中，這些成分會發(fā)生不同的化學反應，進而對燒結礦的表面形態(tài)和性能產生影響。此外，燒結礦中還可能含有微量元素如 Cu、Zn、Mo、V、 Cr、S和 N 等，這些元素也會對礦石性能產生影響。
燒結礦性能預測主要使用的技術包括機器學習、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)挖掘和物理模型等，燒結礦性能檢測技術結構如圖 11 所示。為了提高燒結礦的產質量，可以運用各種先進技術對其性能進行預測、優(yōu)化和模擬［52］ 。其中，機器學習通過歷史數(shù)據(jù)構建模型以預測未來燒結礦的性能；數(shù)據(jù)挖掘算法則能夠從歷史數(shù)據(jù)中提取有用信息；模式識別可識別燒結礦性能變化趨勢。此外，遺傳算法、數(shù)值模擬、神經網(wǎng)絡技術和物理模型也可被應用于優(yōu)化燒結礦性能參數(shù)和模擬燒結礦的性能變化［53］ ?？傊?，這些技術的應用可以顯著提高燒結礦性能預測準確性，并提高其整體產質量水平。
燒結礦性能檢測相較于傳統(tǒng)方式具有以下優(yōu)勢：首先，利用大量歷史數(shù)據(jù)，預測更快；其次，能通過多種技術準確預測燒結礦性能以及更快速發(fā)現(xiàn)燒結礦性能的趨勢變化。因此，智能燒結礦檢測的發(fā)展勢在必行。未來的研究將聚焦于模型優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術的應用，以提高預測精度和效率［54］ 。
3. 4. 2 燒結礦成分在線檢測技術研究
燒結礦成分在線檢測主要使用的技術包括PGNAA（瞬發(fā) γ 射線中子活化分析）、LIBS（激光誘導擊穿光譜）技術以及基于 DNN（深度神經網(wǎng)絡）和LSTM（長短期記憶網(wǎng)絡）的在線監(jiān)測等［55］。這些 技術都可以用來快速、準確地分析燒結礦的成分。
柳鋼燒結廠［56］ 采用了 PGNAA 技術，經過在其360 m2 燒結機上應用，該系統(tǒng)現(xiàn)已能夠通過在線成分檢測實現(xiàn)混合料的化學成分檢測和自動配料，同時也成功將燒結礦堿度 R±0. 08（測量值的誤差范圍為-0. 08~0. 08）穩(wěn)定率提高 9. 65%，顯著提高了燒結過程的節(jié)能降本工作，其中包括返礦率降低了 4. 14%，固體燃耗降低了 0. 14%。吉林大學的韓旭［57］ 提出了一種利用 LIBS 技術的燒結礦堿度分析方法，并研制出一套測控軟件，實現(xiàn)了燒結堿度定量分析。同時，為了提高燒結礦堿度分析的效率和準確性，提出了一種將 LIBS 和 RFR（無線電頻率識別）相結合的方法。作為一種新型技術，LIBS 在冶金領域具有廣泛的研究空間及巨大的發(fā)展?jié)摿?。
LIU S 等［58］ 設計出一種基于 DNN 和 LSTM 網(wǎng)絡的集成模型，該模型可以根據(jù)給定的輸入和輸出數(shù)據(jù)來預測燒結礦的化學成分，其預測成分如圖 12 所示（該圖源數(shù)據(jù)來自參考文獻［58］）［58］。試驗數(shù)據(jù)驗證表明該系統(tǒng)的預測精度及穩(wěn)定性較佳，能有效地應用于燒結礦的成分預測。有關燒結礦成分在線檢測使用方法及應用效果總結見表 6。
通過采用 PGNAA 和 LIBS 2 套新型技術可以實時檢測化學成分、節(jié)省能耗以及優(yōu)化生產工序，從而支持企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、提升生產效率及確保燒結礦產質量。此外，這 2項技術能為冶金行業(yè)提供快速分析的新方法，具有廣泛的應用前景［59］ 。然而，這2 種技術的不足在于：1）對于燒結礦中的微量元素無法檢測，這限制了它的應用范圍；2）條件受限，無法檢測出更小的燒結礦樣品；3）設備成本較高，需要高精度的儀器，這使得它的應用范圍受到限制。未來這 2種技術將會不斷改善發(fā)展，進一步提高光學傳感器的性能、增強數(shù)據(jù)處理能力及拓展其業(yè)務范圍。
相較之下，DNN 和 LSTM 網(wǎng)絡技術可以更好地應對這些挑戰(zhàn)，但是 DNN 和 LSTM 網(wǎng)絡結構非常復雜，參數(shù)數(shù)量龐大，因此解釋模型的決策過程會有難度［60］ 。針對該技術在實際應用中的困難，建議通過數(shù)據(jù)預處理和降維、遷移學習及分層訓練策略等方法，降低模型復雜度、減少參數(shù)數(shù)量及提高訓練效率和精度，以便更好地應用于燒結過程中。
3. 4. 3 燒結礦性能預測與控制
燒結礦性能預測技術主要用于檢測燒結礦的物理特性，比如燒結礦成品率、強度以及冶金性能等。燒結礦性能預測與控制的主要目標是通過對燒結過程的模擬預測燒結礦的性能，以及在燒結過程中采取措施來控制燒結礦的性能。
LIU S 等［61］ 提出一種運用機器學習算法的燒結質量綜合預測模型，該模型具有不錯的學習及泛化能力表現(xiàn)，基于大量歷史實踐數(shù)據(jù)成功實現(xiàn)了實時和準確預測燒結礦質量指標。此模型的開發(fā)對提高燒結礦的生產率具有重要意義。UMADEVI T等［62］ 開發(fā)并訓練了 1 個基于神經網(wǎng)絡的模型，通過把燒結礦強度與 9 個過程變量進行訓練，以預測燒結礦的轉鼓指數(shù)。試驗數(shù)據(jù)表明，該模型預測結果和實際數(shù)據(jù)非常近似，誤差在 3. 5% 以內 。 劉 重慈［63］運用人工神經網(wǎng)絡與 FactSage 熱力學軟件結合的方法，建立了預測燒結礦成品率、轉鼓強度和低溫還原粉化率的模型，其燒結礦性能預測模型框架如圖 13 所示［63］ 。測試結果顯示，該模型預測的燒結生成物相量與實際值非常接近，該研究具有一定的實用價值和指導意義。重慶大學的謝皓［9］ 通過優(yōu)化 BP 神經網(wǎng)絡構建了燒結性能預測模型，其網(wǎng)絡結構如圖14所示，該模型預測燒結速度、落下和轉鼓的命中率高達 87. 5% 以上。此項研究成果有助于提升燒結效率和降低制造成本，并為燒結試驗提供有益指引。有關燒結礦性能預測使用方法及應用效果總結見表 7。
從以上的研究可以看出，燒結礦性能預測模型的準確度、穩(wěn)定性以及可靠性在不斷提高，且這些技術能很好地指導實踐生產，提高生產效益。但是對于燒結礦性能預測模型的數(shù)據(jù)采集、模型完善程度以及參數(shù)的準確度還有待提高，而且神經網(wǎng)絡和機器學習對數(shù)據(jù)要求很高。因此，隨著計算機技術的發(fā)展，智能化預測、動態(tài)監(jiān)測、虛擬仿真以及精確化預測是燒結礦性能預測的發(fā)展趨勢，通過運用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和傳感器等技術手段來實現(xiàn)以上 4 大趨勢［64］ ，進而可以更準確地對燒結礦性能進行預測和控制，來提高燒結礦產質量。同時，通過合理地使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)和技術，可以推動行業(yè)在質量可控、資源節(jié)約和環(huán)?？沙掷m(xù)方面做出更大的貢獻。
4 總結與展望
從對燒結過程的智能化控制涉及的 4 大模塊，即智能點火、智能料層狀態(tài)監(jiān)控、智能終點控制以及智能燒結礦性能檢測來看，該類技術在不斷進步和發(fā)展。這些模塊的應用使燒結過程更加高效、低能耗和可持續(xù)。通過智能點火技術提高點火效率和節(jié)能減排；智能料層狀態(tài)監(jiān)控技術能夠實時監(jiān)測燒結過程中料層溫度和燒結機漏風狀況，并根據(jù)監(jiān)測結果進行調整和優(yōu)化，提高了燒結礦產質量；智能終點控制技術則能夠準確判斷燒結過程的結束時機，并及時做出控制措施，避免過燒或不完全燒結的情況發(fā)生；智能燒結礦性能檢測技術通過多種算法和模型，對燒結礦的成分進行監(jiān)測和性能進行預測，為工藝優(yōu)化和質量改進提供了依據(jù)?？偟貋碚f，這些智能化控制模塊的應用極大地提高了燒結過程的效率和質量，并推動了相關技術的不斷創(chuàng)新和進步。
在“雙碳”背景下，很多鋼鐵企業(yè)響應國家的號召，取得了顯著的節(jié)能減排成果。未來，中國為了持續(xù)走綠色化道路，低碳燒結將繼續(xù)挖掘減碳技術。目前，鋼鐵行業(yè)的智能化僅限于生產環(huán)節(jié)的智能控制，就如上述所說的通過大數(shù)據(jù)和人工智能技術來實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的智能化，但未來鋼鐵行業(yè)將趨向于實現(xiàn)全流程工序信息一體化融合技術，從承上（配料）啟下（高爐）開始，來實現(xiàn)原料、煉鐵、煉鋼、熱軋以及冷軋到最終成品的全流程工序信息一體化融合技術。目前，國內的山鋼集團［65］ 對信息一體化技術進行了初步的嘗試，為以后的研究積累了經驗。信息一體化技術只是剛剛開始，未來鋼鐵行業(yè)必將往該方向上發(fā)展，它的實現(xiàn)還需要更多科研工作者的深入研究。
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