【获奖成果】炼钢厂多工序运行协同控制关键技术研发与应用

习近平总书记在全国新型工业化推进大会上作出重要指示，要深刻把握新时代新征程推进新型工业化的基本规律，积极主动适应和引领新一轮科技革命和产业变革，把高质量发展的要求贯穿新型工业化全过程。2022年，我国钢铁产量10.13亿吨，占全球总产量53.9%。钢铁工业作为国民经济的支柱产业，形象地被称为“工业的脊梁”，是我国现代化产业体系建设和制造强国建设的重要基石，是我国最具全球竞争力的产业之一。在新型工业化建设与高质量发展理念下，钢铁工业亟需深化在智能化领域的探索与实践，推进产业转型升级，加快建设制造强国。

图1 炼钢厂生产运行现状

炼钢-连铸区段作为钢铁制造流程的关键区段，是一个气−液−固多相共存的包含多种复杂物理化学反应的间歇/准连续、高温(1500~1700℃)生产过程。该区段包含多道工序，涉及数台设备，各工序/设备分布于不同作业跨内，依次完成钢水的初炼、精炼以及浇铸等冶金任务。长期以来，我国炼钢厂在面对多样化的生产订单与无精炼跨的复杂车间布局时普遍存在生产计划与调度难、多工序/设备衔接效率低、协同性差、运行水平难以准确评价等共性难题，技术创新被逼入“困境”，关键技术的研发迫在眉睫。

针对上述难题，我校刘青教授团队面向国家急迫需求与行业发展桎梏，为了目标、他们“真拼”，历经数十年攻关，自主创新研发了炼钢厂多工序动态协同运行关键技术，通过制造流程物理系统和数字化信息系统的深度融合，实现了多工序/设备的动态协同运行，保障了铁素物质流动态有序、协同连续运行。经中国金属学会组织专家评价委员会鉴定，项目技术成果总体达到国际先进水平，获得了2021年中国商业联合会科技进步一等奖与2022年教育部科学技术进步二等奖。

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探究“最深处”，寻多序协同调控之法

科技创新是推动钢铁行业高质量发展的核心驱动力，也是钢铁材料助力制造业迈向产业链中高端的有力支撑。针对新形势下钢生产“多品种、小批量、多规格、高质量、快节奏”的新模式以及多工序运行协同调控的关键共性难题，项目团队以冶金流程工程学理论为基础，以物质流和信息流深度融合为目标，通过揭示炼钢厂铁素物质流运行规律，提出了炼钢-连铸调度规则系统化构建技术；研发了基于生产运行模式的炼钢-连铸调度技术；开发了多因素动态协同的炼钢-连铸多工序运行仿真技术；为量化评价炼钢厂多工序协同运行效果，提出了多工序协同运行质量的综合评价技术；最终，形成了系统化的炼钢厂多工序动态协同运行关键共性技术，为实现钢铁生产全流程高效运行和智能制造提供了产业化应用基础和技术支撑。

图2 研究技术路线

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锻造“铁肩膀”，解协同运行瓶颈之难

项目团队针对炼钢厂多工序运行协同性差、生产调度困难等共性问题，基于系统化知识构建思想，通过揭示多因素作用下铁素物质流的运行规律，根据其通用性、专用适配性和动态性将其分类提取为规则知识，开发了具有高普适性的调度规则库，提高了一般生产调度模型/系统的可用性，对各工序作业的标准化起到了引领作用。

图3 高普适性生产调度规则库

在基于生产运行模式的智能调度方面，项目团队根据“炉-机对应”原则，揭示了不同生产模式下影响生产连续性的关键调控因素，创新性地开发了“一炉对一机”和“定炉对定机”模式下适用于集中决策的静态调度模型和算法，以及动态扰动环境下适用于分散决策的多智能体动态调度系统模型，在国内率先攻克了复杂大中型炼钢厂炉-机对应关系紊乱、各类随机扰动频发影响生产连续性的难题。

图4 基于生产运行模式优化的智能调度模型与甘特图

在面向动态协同运行的系统仿真方面，针对我国炼钢厂普遍存在的生产过程复杂、多工序协同运行难以管控等问题，首次提出了综合考虑车间平面布置、天车运行、钢包运转等多种生产约束的炼钢厂铁素物质流运行过程的仿真模型，表征了不同类型炼钢厂铁素物质流的运行规律，创新实现了炼钢厂生产运行模式与天车/钢包运行的动态协同。

图5 钢包、天车运行控制与生产模式优化的协同机制

针对炼钢厂复杂生产过程协同运行质量难以量化评价的问题，项目团队从冶金流程工程学出发，开发了基于层流运行水平、工序匹配水平和调度模型可用性的综合评价模型，提出了可量化表征炼钢厂多工序协同运行质量的评价方法。所建模型能够准确识别炼钢厂瓶颈产线并明确瓶颈形成原因，明晰炼钢厂的提升改进方向，填补了炼钢厂多工序协同运行质量评价领域的空白。

图6 多工序协同运行质量的综合评价技术

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挺起“硬脊梁”，谱智能排产调度新篇

 项目团队围绕本技术成果，研发了基于炉-机对应模式优化的炼钢厂智能排产调度系统，并成功推广应用于莱钢、山钢等企业。突破产业化瓶颈，推动高质量发展。

项目研发及应用期间，获授权发明专利12件、实用新型专利12件，登记计算机软件著作权1件，参与制定中国钢铁工业协会智能制造团体标准3项，制定企业标准2项，形成企业技术秘密5项，发表高水平论文20余篇。成果应用后，炼钢厂生产运行节奏与有序性得到显著提高，相关生产运行指标大幅提升，累计新增产值超过52.3亿元，创造经济利润超过4.9亿元，有效推动了我国炼钢厂生产运行智能化发展，为挺起新时代的钢铁脊梁贡献北科力量。

图7 调度系统逻辑模型设计与运行界面

不忘初心，牢记使命

项目团队始终以科教兴邦、钢铁强国为己任

努力探索前沿科技

为钢铁行业高质量发展踔厉奋发

他们怀揣着对技术发展的热爱

不断追求创新、追求卓越

为中国钢铁挺起“强国脊梁”贡献力量！

来源: 科转院

转自：“北科科研”微信公众号

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