一、研究的背景与问题
随着国家对钢铁行业环保和节能减排要求的提高，政府出台一系列相关政策，鼓励钢铁企业采用新技术、新工艺，实现绿色、低碳、高效的生产方式。高炉智能布料调控技术作为钢铁行业的重要创新技术之一，可以通过优化布料过程，降低能耗和排放，满足环保政策的要求。
竞争压力增大：全球钢铁市场竞争激烈，企业间的竞争压力不断增大。为在市场中保持竞争力，钢铁企业需要不断寻求技术创新和突破。高炉智能布料调控技术作为钢铁行业的重要创新技术之一，可以帮助企业提升生产效率、降低成本、提高产品质量，从而在市场中获得竞争优势。随着信息技术的快速发展，智能化已经成为钢铁行业的重要发展趋势。高炉智能布料调控技术作为钢铁行业智能化的重要体现之一，可以实现对高炉布料过程的自动化、智能化控制，提高生产效率和产品质量。
目前，高炉智能布料调控技术已经取得一定的研究成果和应用经验。但是该技术仍存在一些挑战和问题，如技术成熟度、系统稳定性、成本控制等，需要进一步研究和改进。
二、解决问题的思路与技术方案
1、项目研究技术路线
智能制造技术已成为世界制造业发展的客观趋势，而高炉布料制度是高炉冶炼工艺的核心环节，如何对布料制度的合理性进行定量化分析，在生产过程中随着原料质量、料批大小、高炉炉料结构、焦炭负荷、风量等的改变，如何根据炉况变化对布料制度进行合理优化调整。利用物联网技术、智能系统实施高炉智能布料调控技术来降低生产成本、提高生产效率、减少炉况波动迫在眉睫。
图1 项目研究技术路线
兴澄炼铁从如何对布料制度的合理性进行定量化分析，如何对料面形状进行实时监测，以及如何提高冶炼过程中的稳定性和可靠性等方面出发，开展高炉智能布料调控技术研发，项目研究的技术路线如图1所示。
2、项目实施方案
（1）高炉布料制度的定量化分析
监测指标：为了对布料制度的合理性进行定量化分析，需要监测一系列关键指标，如原料质量、料批大小、高炉炉料结构、焦炭负荷、风量等。这些指标的变化将直接影响高炉的冶炼效率和产品质量。
数据采集与分析：通过物联网技术，实时采集高炉冶炼过程中的数据，包括温度、压力、流量等。利用大数据分析技术，对这些数据进行处理和分析，以评估布料制度的合理性。
建立模型：研究炉料的颗粒状态和运动现象，建立合理的数学表达式，是开发高炉数学模型和建立合理布料操作的需要。
（2）高炉智能布料调控技术的研发
软件开发：采用CS架构，使用.NET语言进行开发，包括服务端、客户端、Socekt通讯服务等。
功能设计：包括动态模拟高炉装料过程、料面形状、料面下移过程，实时计算分析布料矩阵对应的径向矿焦层厚度及矿焦比分布，为高炉操作者布料制度调整提供量化依据。
软件测试及优化：利用兴澄特钢1#高炉短期休风的机会，对高炉极限角、布料轨迹及料面形状等内容进行软件测试和分析优化。
（3）高炉智能布料调控技术的应用
实时调整：根据炉况变化，实时调整布料制度。例如，当原料质量下降时，可以适当缩小焦矿布料角度，以维持边缘和中心两道气流，保证炉况顺行。
诊断与优化：利用云计算和人工智能算法，对高炉冶炼过程进诊断和预测。根据诊断结果，提前调整布料制度，以应对可能出现的炉况波动。
智能化决策：通过智能系统，实现对高炉布料制度的智能化决策。系统可以根据实时监测数据和预测结果，自动调整布料参数，使高炉的冶炼过程更加稳定和高效。
三、主要创新性成果
1、高炉布料制度评估模型的建立
通过研究炉料的颗粒状态和运动现象，建立合理的数学表达式和布料制度评估模型，能够准确分析高炉现行的布料矩阵以及布料矩阵调整后的料面形状。这一模型为高炉布料制度的优化提供科学的量化依据。
2、高炉智能布料调控技术的研发
研发基于CS架构的高炉智能布料调控软件，通过实时数据集成、三维可视化模拟、料流轨迹及下移过程监控等功能，实现高炉装料过程的动态模拟和实时监控。
该技术能够实时计算分析布料矩阵对应的径向矿焦层厚度及矿焦比分布，为操作员提供布料制度的优化建议，并支持离线模拟验证，帮助确定最佳布料策略。
3、高炉冶炼过程的智能化决策支持
结合云计算和人工智能算法，对高炉冶炼过程进行诊断和预测，提前调整布料制度以应对可能出现的炉况波动，实现高炉布料制度的智能化决策。这一创新提高高炉冶炼过程的稳定性和效率，降低生产成本和能源消耗。
四、应用情况与效果
高炉智能布料调控技术研发与应用在兴澄炼铁应用后，高炉炉况能保持稳定顺行，而且带来的经济效益十分可观，实施效果如下：
1、高炉智能布料调控技术通过实时调整布料制度，如根据原料质量变化调整焦矿布料角度，确保炉内原料分布均匀，有利于煤气流的均匀分布和充分利用，提高煤气利用率。同时利用云计算和人工智能算法，对高炉冶炼过程进行诊断和预测，提前发现炉况波动的趋势，并据此调整布料制度，避免炉况波动导致的煤气利用效率下降。
图2 成果应用前后煤气利用率变化情况
从图2可以看出，1#高炉的煤气利用率从2022年的46.82%逐年上升至2024年的48.96%；2#高炉的煤气利用率从2022年的49.00%逐年上升至2024年的50.16%；3#高炉的煤气利用率从2022年的47.03%逐年上升至2024年的49.17%。综合来看，高炉智能布料调控技术在三个高炉应用后，各高炉的煤气利用率在2022年至2024年间均显示出上升趋势。
2、从图3中可以看出，1#高炉综合入炉品位从2022年的58.01%逐年下降至2024年的57.42%；2#高炉综合入炉品位从2022年的57.74%逐年下降至2024年的57.53%；3#高炉综合入炉品位从2022年的58.01%逐年下降至2024年的57.53%。通常情况下，当铁矿石品位降低时，需要更多的焦炭来提供足够的热量和还原能力，以将铁矿石中的氧化铁还原成金属铁，所以高炉综合入炉品位的下降会导致焦比上升。
图3 成果应用前后综合入炉品位变化情况
然而，从图4中可以看出，尽管综合入炉品位有所下降，三座高炉的焦比却呈现下降趋势：1#高炉焦比从2022年的335.27 kg/t逐年下降至2024年的305.06 kg/t；2#高炉焦比从2022年的310.97 kg/t逐年下降至2024年的296.45 kg/t；3#高炉焦比从2022年的334.94 kg/t逐年下降至2024年的304.77 kg/t。由于高炉智能布料调控技术的应用，通过实时调整布料制度，优化原料和焦炭的分布，即使在原料质量下降的情况下，也能提高煤气利用率，从而降低焦比。
图4 成果应用前后焦比变化情况
3、兴澄炼铁高炉的主要生产技术指标整体呈现向好趋势，特别是一级品率的显著提高和焦比、燃料比的下降，表明产品质量的提升，主要生产指标如下表1所示：
表1 兴澄炼铁高炉生产技术指标
信息来源：江阴兴澄特种钢铁有限公司
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