几十年以来，中国钢铁工业通过四次重大技术变革，将工序能耗降低至2021年的550.43千克标准煤。制造单元中各工序成本和产品质量不断优化，市场竞争能力不断增强。这背后，是众多科研设计类企业和生产单位始终坚持“高质量发展”理念，通过不断创新，以新技术、新产品、新工艺赋能钢铁生产，进而支撑钢铁企业提高产品质量，提高生产效率，降低生产成本，降低安全环保压力，释放人力资源活力。中冶南方作为冶金建设排头兵，始终聚焦钢铁主责主业，先后建成多个海内外典型钢铁重大工程，包括世界最大高炉、最大转炉、最高效无头轧制产线、最高端硅钢冷轧产线等。这些众多之最，是中冶南方深耕钢铁领域的最好印证。这背后，是中冶南方人对冶金工艺过程、核心工艺装备的不断挖掘，将工艺理念不断融入钢铁工程，将中国钢铁工业不断推向世界领先地位的一次次实践。

 

钢铁作为最复杂的流程性工业，其内在变化多种多样。工艺理念是钢铁生产的基础，而以工艺理念为出发点的工艺模型更是重中之重。依托工艺模型，中冶南方实现了从“引进、消化、吸收、再创新”后的一次次跨越，晋南钢铁1860m3高炉容积利用系数达到3.8t/（m3·d），转炉副枪动态冶炼过程双命中率超90%；三明钢铁160mm×160mm小方坯连铸机，浇铸速度达到6.02m/min；新余钢铁小六辊轧机3μm厚控精度长期稳定在99%以上。近年来，中冶南方更是聚焦钢铁“绿色、低碳、智能、高效”发展理念，将工艺理念和工艺模型深入到钢铁生产各个环节，完整开发并投用了包括从原料场到冷轧的全流程全系列工艺模型，推动了钢铁工业技术进步，也进一步赋能所服务钢铁企业的高质量发展。

 

01

 

工艺理念

 

钢铁生产工序多，工艺流程复杂，不同产线间流转灵活性高，匹配调节难度较大，也很难通过统一的概念来定义各生产工艺单元，但各工序本身对“绿色、低碳、智能和高效”的需求是一致的。冶炼工序更多聚焦在以流程周转为基础的合理和高效，轧钢工序更多聚焦在以产品评价为基础的稳定和高质。

 

在这样的基础上，中冶南方以面向流程和面向产品的两种工艺理念为出发点，开启了全流程工艺创新之路，并通过各工序中一个个工艺模型的投用，促成钢铁生产的绿色、低碳、智能和高效。

 

02

 

原料有序流转

 

原料场为钢铁企业散装料储存处理和厂内物流集散的中心，承担了企业大宗散装物料的储运管理任务。工艺线条多变、工序界面复杂、对物料的有序流转要求高。因此，为实现原料场机具安全可靠、物料准确可达、作业合理高效，中冶南方在运行调度、视觉分析、设备执行三个层面上，开发并投用原料流转模型。

 

运行调度层中，依据企业管理计划和底层PLC设备运行状态，能够实现对原料场的实时调度，包括场地分配管理、预配料管理和自动加仓调度。场地分配采用静态分配堆位的模式，避免断料事故，保证设备的均衡工作，并最大程度上避免空间限制困扰，提高了场地利用率和原料场吞吐量。预配料管理能够将料场多种原料通过混配来满足后续烧结、焦化、石灰和高炉工艺的生产需求，进一步提高混匀料成分的准确和稳定。自动加仓调度以机车路径寻优为出发点，全时域自动调配车辆工作任务，极大提升了料场运行和周转效率，设备运行调度可实现零空置，为工序降本增效提供可靠支撑。

 

视觉分析层中，依据激光点云和视觉表征方式重构料场，使能够实现三维实时建模、料场取料调度、机具无人定位和状态诊断分析。激光点云三维实时建模依托激光TOF技术，利用多重空间变量转置，将走行、俯仰、旋转方式获得的信息统一在一个空间，重构料场的实时变化，重现精度可达±0.1m。料场取料调度以点云相切为原则，合理调配就近车辆进行高质量供配作业。机具无人定位通过对空间点云数据实时和预设分析，以路径最优为原则，提前调度车辆进入作业状态。状态诊断分析是依托多重光学交叉成像的方式，对设备状态如皮带料流、料堵、料偏、异物等进行分析预警，强化作业安全，其中，最核心的堵料预判准确率大于95%，料流检测分析准确率大于98%。

 

设备执行层中，依据分布在料场的各检测元件和料场任务作业中心系统的统一调度，实现料线寻优和主动避障。料线寻优是依据各任务单，对料场皮带机作业进行主动寻优，以使物料作业流畅、效率提升，主动作业命中率可达99%以上。主动避障是基于设备三维运动空间和动作方式，在任务下达后，以机具无人定位为依托，在虚拟平台上进行安全避障，保证设备安全，设备运行至今维持在零事故状态。此外还有不同类型车辆的分层、平推、单点作业模型，均已投入使用。除此之外，中冶南方还在积极研究更高效合理的料场虚构和管控的孪生作业方式，为未来料场向更高效、更合理、更有序的作业提供支撑。

 

03

 

高炉稳定冶炼

 

高炉是钢铁企业中最重要的生产单元之一。矿石和焦炭在密闭空间内经历着连续而复杂的热交换过程和物理化学变化，产出为高温铁水。炉内物料组成复杂、热负荷状态多变、冶炼过程相互影响，较难长期维持在一个较高的运行水平。也因此，为实现高炉生产的稳定顺行，中冶南方在炉料、气流、热状态、炉型、炉缸、平衡分析等方面进行多点开发，先后投用一系列高炉稳定冶炼工艺模型，进一步提升中冶南方高炉长寿特性。

 

炉料管控以其在炉内分布状态为评估手段，在布料、跟踪、软熔特性、出铁方面进行工艺表征，为高炉进行提前工艺调剂提供重要支撑，以保证高炉稳定顺行。布料评价以料面形状为出发点，结合雷达线扫描方式提高准确度，并进一步分析径向O/C分布，以实现料面上部调剂，辅助调剂实现率不低于95%；跟踪评价以料批为基础，在炉内过程中实时准确表征位置和形状特征，并核实铁量和动态燃料比等信息，动态评价炉料状态；软熔特性评价以质能平衡为基础，在迭代求解过程中实时表征当前软熔位置和形状分布，并内置不同工况下的评价特征，为气流分析和炉况判断及调整提供依据；出铁评价重在表征炉缸渣铁信息，以实现出渣出铁可评可控，辅助出铁作业率不低于90%。

 

气流管控通过对炉内区域进行划分，跟踪评价风口、炉身、炉顶气流状态和趋势，以可量化方式实现对炉况的实时调剂，实现气流高效利用。风口气流评价以图像波动为出发点，动态跟踪风口实时状态和设备状态，在准确特征提取基础上，结合工艺规则驱动鼓风操作变化；炉身气流评价以软熔分析和炉身静压力为依据，准确提取内部气流状态，为上、下部调剂提供参考；炉顶气流评价以探尺和十字测温等实际参数为出发点，在获得气流分布和强弱特征的基础上，调剂布料操作，辅助调剂实现率不低于95%。

 

热状态管控以高炉下部区域为主要考察对象，以炉料指数和实时检测数据为依托，对炉内活性指数进行评价，以实现熔炼过程高效可控。炉缸热评价以炉缸活跃性指数、死料柱洁净指数和炉渣粘度等参数为依据，评价区域活性状态，以获得更高效的熔炼过程；炉温评价以炉热状态指数为基础，以模糊推理方式进行仿真，使能够提前预判炉温趋势，为获得最佳燃料比提供基础。目前，炉温预报准确率超过85%。

 

炉型管控以炉身为主要考量对象，通过温度参数反馈，识别渣皮和结瘤等生产状态，实现对炉型状态的实时评价，进而调整布料和鼓风等工艺参数，助力高炉生产稳定高效。炉缸侵蚀管控以炉缸为主要考量对象，也通过温度参数反馈，识别侵蚀状态和趋势，进而对物料组成和风口鼓风进行调整，助力高炉生产安全可控。

 

平衡管控以高炉整体过程为考量对象，通过物热平衡分析，在Rist平衡的基础上，指导高炉操作，为高效低耗生产提供可辨依据。除此之外，中冶南方还在积极探索低碳生产要求下工艺过程的变化及控制方式的调整，以实现为低碳高炉生产提供有力支撑。

 

04

 

工艺理念

 

转炉是通过吹炼获得合格钢水的重要生产单元之一。铁水和氧气在炉内进行高效反应，脱除多余碳、磷和其他有害夹杂物。由于转炉炼钢的危险性和复杂性，很难通过直接测量评价炉内状态，也较难实现转炉炼钢的自动化调整和生产。因此，以工艺机理和数据自学习为基础，在副枪系统上开发并投用的转炉自动炼钢模型，能够对炉内状态进行预测，并精准调控生产过程。

 

基于副枪在不倾炉和不中断吹炼工况下，能够实现自动测量和取样，进而开发出静态和动态两个评价系统。静态评价以工艺机理和工艺目标为出发点，在熔剂、冷却剂和供氧上指导操作，以实现生产过程的高效化。通过自学习设定，快速迭代和自我进化，实现对原料条件、转炉工况和冶炼目标等正常波动下的主动适应。动态评价以时域为出发点，对冷却剂和供氧做二次修正，以此确保目标命中率。为应对冶炼工况条件的波动，在大数据分析的基础上设定自学习算法，动态调整管控参数优化和更新。目前，动态模型的双命中率超过92%。除此之外，中冶南方还在努力探索多工艺操作模式，并通过辅助烟气判定系统，来实现更高的双命中率，为转炉高效生产提供有力支撑。

 

05

 

热轧精准操控

 

热轧是在高温状态下将铸坯轧制成所需要求的重要工艺。在此过程中，铸坯连续通过各道次轧制和冷却区间冷却获得最终产品。热轧过程生产节奏快、压下量大，在高速状态下，性能指标的连续可控与生产工艺密切相关，为实现产品性能指标的精准可控，中冶南方在控轧、控冷工艺方面进行开发，先后投用了一系列精准高效工艺模型，提升热轧产品质量。

 

棒材温控系统以轧制过程温度变化为切入点，评价不同工艺条件下，冷却方式对产品温度的影响，以实时跟踪为反馈，动态调整区间温度分布，为轧制工艺的调整提供准确依据。实际运行中，温度预报准确率超过85%，可实现精准预测不同工艺布置和不同冷却条件下的轧制全过程温度状态，为工艺的调整优化和设备的高效运行提供重要支撑。中冶南方还在拓展温控和组织调控之间的内在关系。

 

板带生产管控系统以轧制理论和规程为出发点，对温度和力学性能进行表征，以评价和反馈并实时调整轧制工艺过程。系统以轧制力能参数、轧制规程、轧辊温度、轧件温度、初始辊型、辊系弹性变形及轧辊磨损为评价方向，以实现精准操控生产模式。轧制力能评价是以辊缝变形区的应力分布和变形轧辊轮廓为拟合依据，在迭代回归的基础上校核轧辊及机架等主要零部件强度、选择电机容量和电机负荷，以进一步优化机组性能。轧制规程是以目标寻优为基础，调控压下分配、速度制度等关键参数，为精准控制板带厚度和板型提供依据，以提高轧机生产效率，降低能源消耗。轧辊温度评价以工艺实绩为依托，在有效传热条件支撑下，实现轧辊冷却工艺参数设定，并反馈板型控制系统中的轧辊热凸度变化，以进一步提高控制精度。轧件温度评价与轧辊评价类似，可实现生产过程中温度场三维实时再现，并可精确调整层流冷却喷射集管的冷却水水量，以实现对微观组织与性能的预测。初始辊型评价通过对辊型曲线的分析，利用优化算法分析辊型参数，为板形控制提供高适应性的初始辊型曲线。辊系弹性变形评价是基于轧件塑性变形和轧辊弹性变形耦合迭代，以辊缝的横向分布为最终指标，来评估板型优劣并设定弯辊力和窜辊量。轧辊磨损评价基于自适用、自学习方式，精确预测工作辊及支撑辊的磨损量分布，以提高板形控制精度。除此之外，中冶南方还在积极探索型钢轧制和无头轧制工艺操作模式，并通过CAE仿真及工艺生产实绩反馈，来实现更精准操控，并为确保稳定的产品质量提供有力支撑。

 

06

 

冷轧高质调控

 

冷轧是在再结晶温度以下将热轧板轧制成所需要求的重要工艺之一。热轧板在冷轧线上连续通过各道次处理工序，逐步消除加工硬化，并实现成分控制精准和板型控制合理的最终产品。冷轧过程生产多样、节奏较快，在复杂的工艺操作下，对产品成分和板型等参数的要求较高。为确保产品高质稳定，中冶南方在板形、成分和质量管控上，先后投用系列生产工艺模型，提升了冷轧产品的质量。

 

轧制管控以工艺操作为出发点，在轧制力、压下分配、辊系弹性变形和板形自适应上进行不断优化，逐步提高整个控制系统的适应性和控制能力。轧制力评价以轧辊弹性压扁为出发点，在整个变形区分段收敛，保证轧制的可靠和输出的高精度。压下分配评价以轧制力均衡或功率均衡为目标，采用dfr/dh效率系数进行极速修正，实现了在线实时运行。辊系弹性变形评价直接基于轧辊挠曲积分，采用分层辊系协调变形方式，利用辊间中心点处压扁和辊间压扁区倾斜两个迭代调节量，进一步提高板形控制精度。板形自适应评价根据二级系统提供轧制力与板形执行机构效率关系，实时反馈各执行机构调节量，闭环操作，以提高板形稳定性，减少断带可能，提高板形控制系统的适应性。借助生产实绩反馈不断优化管控精度，为基础自动化控制提供更加精确的设定值、更有针对性的增益系数和效率系数，大幅提高控制系统的适应性，改善带钢产品的控制精度，并提高冷轧机的生产效率。目前，可实现小六辊轧机3μm厚控精度长期稳定在99%以上。

 

处理线管控以成分调控为出发点，主要针对脱碳和渗氮工艺，以提高成分命中率和产品成材率。脱碳评价以脱碳反应及Fick第二定律为基础，对脱碳工艺参数进行表征，系统精度不低于95%，明显提升产品原牌号命中率和成材率。渗氮评价以渗氮过程热力学和动力学为基础，对影响渗氮的各因素进行耦合评价，系统精度不低于95%，较大程度提升产品的质量和成材率。

 

借助处理线管控，可实现脱碳和渗氮工艺参数的精准调节，较大幅度改善成品质量，实现产品性能的稳定可靠。

 

产品质量评价系统以工艺机理和大数据结合为出发点，对自炼钢到冷轧工序近百种参数进行考量，在关联度表征过程中，以最接近实绩方式对产品性能进行预报和判级。同时，在前工序工艺参数发生偏离的情况下，反馈后工序工艺参数的调整，提高产品原牌号命中率和成材率，并在保证产品质量的前提下，对工艺参数进行优化，以降低产品的吨钢能耗。目前，已实现对产品铁损性能预报和工艺制度自调整，并使铁损降低1%。