Применение промышленной автоматизации в металлургической промышленности

Металлургическая промышленность, являясь основой национальной экономики, несет большую ответственность за производство и переработку металлического сырья. Однако такие проблемы, как традиционные металлургические процессы, основанные на ручном труде, высокое потребление энергии и низкая эффективность, становятся все более заметными. Стремительное развитие технологий промышленной автоматизации, глубокая интеграция таких технологий, как искусственный интеллект, Интернет вещей и большие данные, с металлургическим производством движут отрасль в сторону интеллекта, экологичности и эффективности. В этой статье будут рассмотрены основные сценарии применения, технические преимущества и будущие тенденции промышленной автоматизации в металлургической отрасли.

1. Текущее состояние автоматизации в металлургической промышленности

Современная металлургическая технология охватывает такие сложные звенья, как дробление руды, обжиг, плавка, рафинирование, непрерывное литье и прокатка. За последнее десятилетие более 70% крупных сталелитейных заводов по всему миру внедрили автоматизированные системы управления, а средний уровень автоматизации китайских сталелитейных компаний вырос с 35% в 2015 году до 68% в 2022 году (данные Китайской ассоциации черной металлургии). Эта трансформация не только снизила зависимость от ручного труда, но и повысила эффективность производства на 20–40%, став ключевой движущей силой устойчивого развития отрасли.

2. Основное применение промышленной автоматизации в металлургическом производстве

1. Умная плавка: от «ориентированной на опыт» к «ориентированной на данные»

- Оптимизация процесса: внедряя распределенные системы управления (РСУ) и датчики Интернета вещей, мы отслеживаем температуру, давление, состав и другие параметры в доменной печи в режиме реального времени, а также используем алгоритмы ИИ для динамической регулировки соотношения топлива и объема дутья, сокращая диапазон колебаний содержания кремния в расплавленном чугуне с ±0,5% до ±0,1%.

- Модернизация защиты окружающей среды: система мониторинга выбросов выхлопных газов связана с оборудованием для удаления пыли для обеспечения раннего оповещения в режиме реального времени и автоматического регулирования выбросов загрязняющих веществ. Случай с Baosteel показал, что концентрация выбросов оксидов азота снизилась на 35% в годовом исчислении.

2. Непрерывное литье и прокатка: автоматизированный и точный контроль всего процесса

- Непрерывное литье: система машинного зрения автоматически обнаруживает поверхностные дефекты стальных заготовок с точностью до микрона и вероятностью пропуска обнаружения менее 0,01%. Частота вибрации кристаллизатора автоматически подбирается в соответствии с маркой стали, а процент годности отливки заготовок увеличивается до 99,8%.

- Процесс прокатки: модель ИИ прогнозирует усилие прокатки и ширину листов и полос, снижая износ валков на 20% и контролируя допуск толщины изделия в пределах ±3 мкм, достигая передового международного уровня.

3. Интеллектуальный контроль качества: попрощайтесь с «ручным визуальным контролем»

- Неразрушающий контроль: система рентгеновской дефектоскопии на основе глубокого обучения способна выявлять внутренние дефекты размером до 0,1 мм, а скорость обнаружения в 5 раз выше, чем у традиционных методов; Лазерный сканер измеряет трехмерную морфологию стали в режиме реального времени и автоматически оповещает об отклонениях размеров.

- Управление прослеживаемостью: технология блокчейн открывает цепочку производственных данных и обеспечивает прослеживаемость всего жизненного цикла от сырья до готовой продукции. Исследование компании Handan Iron and Steel показало, что уровень жалоб на качество снизился на 60%.

4. Управление энергопотреблением и экологичное производство

- Интеллектуальная энергетическая сеть: благодаря интеграции данных об электроэнергии, газе, паре и других видах энергии на территории завода через промышленную интернет-платформу и оптимизации плана диспетчеризации парк Shougang может сэкономить 120 000 тонн условного угля в год.

- Сокращение выбросов углерода: система улавливания углерода на базе искусственного интеллекта имеет коэффициент улавливания более 90%. В сочетании с технологией рекуперации отходящего тепла выбросы углерода на тонну стали сократились на 15% в годовом исчислении.

3. Трансформация отрасли благодаря технологиям

Двойной скачок эффективности и качества

Автоматизированная производственная линия сокращает время переключения производственной линии до менее чем 15 минут (традиционный процесс занимает 2 часа). Корпус завода Zhanjiang Steel демонстрирует, что темп горячей прокатки был увеличен до 120 метров в минуту, что является мировым рекордом. В то же время уровень квалификации продукции увеличился с 96% до 99,5%, а доля продукции с высокой добавленной стоимостью, такой как высококачественные автомобильные панели и авиационный алюминий, увеличилась на 18%.

Значительное улучшение затрат и безопасности

После внедрения на частном сталелитейном заводе системы предиктивного обслуживания время простоя оборудования сократилось на 70%, а расходы на расход запасных частей сократились на 40%. Технология автоматизированного дистанционного управления позволила сократить плотность персонала на рабочих местах с высокой температурой и высоким риском на 60%, а уровень несчастных случаев снизился на 85% по сравнению с прошлым годом.

IV. Проблемы и контрмеры

Несмотря на значительные достижения, автоматизация металлургического производства по-прежнему сталкивается с тремя основными проблемами:

1. Технические проблемы интеграции: Недостаточное слияние разнородных данных из разных источников. Однажды на сталелитейном заводе наблюдалась задержка производства на 3 часа в день из-за плохого взаимодействия между системами MES и ERP.

- Меры противодействия: разработка стандартных отраслевых протоколов интерфейса данных и содействие созданию промышленных интернет-платформ.

2. Нехватка специалистов в области сложных технологий: инженеры, обладающие как знаниями в области металлургии, так и навыками программирования ИИ, составляют менее 5%.

- Меры противодействия: школы и предприятия совместно создают «базу обучения интеллектуальному производству» и реализуют целевую программу обучения «цифровых мастеров».

3. Высокие первоначальные инвестиционные требования: средний срок окупаемости автоматизации составляет 5–7 лет.

- Контрмеры: правительство предоставляет специальную субсидию в размере 20%, а банки запускают финансовые продукты с низкими процентными ставками, такие как «кредиты на технологическую трансформацию».

5. Перспективы будущего: на пути к новой эре «Цифрового двойника + Метавселенной»

1. Цифровой двойник фабрики: создание виртуальных образов доменных печей и конвертеров, а также оптимизация параметров процесса с помощью моделирования. Исследование показывает, что цикл ввода в эксплуатацию новых производственных линий можно сократить на 40%.

2. Удалённое сотрудничество с использованием дополненной реальности: специалисты используют очки 5G+AR для руководства операциями на месте, сокращая время реагирования при устранении сложных сбоев оборудования с нескольких часов до 15 минут.

3. Автономное принятие решений на основе ИИ: интеллектуальная система планирования, основанная на обучении с подкреплением, реализует автономную оптимизацию всего процесса. На одном экспериментальном сталелитейном заводе удалось достичь точности прогнозирования содержания углерода в конце производства стали в 98,7%.

Заключение

Промышленная автоматизация меняет ДНК металлургической промышленности. От «стальных гигантов» до «умных фабрик» — технологические инновации не только привели к резкому повышению эффективности производства, но и способствовали глубокой интеграции экологичного производства и высокотехнологичного производства. В будущем, благодаря постоянному развитию таких технологий, как искусственный интеллект, блокчейн и цифровые близнецы, металлургическая промышленность, несомненно, перейдет на новый этап развития — к более высокому уровню интеллекта, низкому уровню выбросов углерода и устойчивому развитию, что придаст мощный импульс стратегии Китая по превращению в производственную державу.