数字孪生，让钢铁产线上云端

本文转自：河北日报

数字孪生，让钢铁产线上云端

——探访卓越级智能工厂之五

六月十一日，在首钢京唐钢轧作业部主控室，工作人员利用转炉数字孪生系统进行生产操作。丁宏建摄

□贡宪云 王育民 王宇

转炉不仅耸立于炼钢产线，还“建”在由数据、算力、算法等构建的云平台上。6月11日，在位于唐山市曹妃甸区的首钢京唐钢铁联合有限责任公司钢轧作业部，电子大屏幕上，一座虚拟转炉正在炼钢，红彤彤的钢水奔涌跃动，泛着炽热的光芒。

“这是我们开发的转炉数字孪生系统，通过实时采集炼钢厂的海量数据，在数字空间中构建出一个与真实转炉同步运行的虚拟转炉。”首钢京唐炼钢工艺首席工程师闫占辉说，这项独创技术实现了转炉冶炼过程透明化、可视化，为提升钢水品质和稳定性提供了有力支撑。

以数字孪生技术为代表，首钢京唐深化钢铁生产数智化建设，参与25项国家及行业智能制造标准制定，落地160余个数智化应用场景，智能制造能力跻身行业先进水平，入选工信部首批卓越级智能工厂。

从凭经验到看数据

在首钢京唐钢轧作业部主控室，炼钢操作工点击“吹炼开始”按钮，短短几秒钟，氧枪自动下降、物料自动加入、底吹自动控制、副枪自动测量，转炉内钢水一片沸腾。直至吹炼结束，过程无干预率超过95%。

转炉内部主要反应变化，均以烟气信息、副枪信息、辅料信息等关键参数实时呈现在转炉数字孪生系统里，让炼钢操作工对炼钢过程尽在掌握。

过去凭经验，现在看数据。

“转炉内部温度超过1600摄氏度，炉内复杂反应情况难以直接监测，被称为‘黑箱’难题。炼钢操作曾经高度依赖老师傅经验判断。”闫占辉说，有了转炉数字孪生系统，他们可基于实时冶炼数据全面剖析炼钢过程，实现了对冶炼过程的高精度感知与控制。

2022年3月，转炉数字孪生系统正式立项，项目团队核心人员30人。他们采用图像识别与烟气分析技术，探索建立吹炼、出钢、溅渣等工序的视觉感知网络，再把数据信息纳入功能模块。

走自己的路很不容易。炉渣控制模块易受原料波动和吹炼节奏影响，在产线测试了一个月，故障频出。他们综合考虑物料种类、生产介质等变量，不断调试优化，这一模块才达到预期要求。

自动出钢模块需同步协调转炉倾动、钢包车移动等工序，联动难度大。他们跟炼钢操作工一起，深入研究钢水从转炉进入钢包的运行状态，提高了模块的精准性和有效性。

2023年8月，随着各模块投用并完成联动，转炉数字孪生系统上线运行，实现了转炉冶炼全过程智能控制。

据统计，该系统上线以来，公司转炉冶炼周期缩短2分28秒，吨钢原料消耗降低2.9千克，日均减少炉渣处理量2.1吨，“直出钢”比例提高26%。

高危岗位“机器替人”

在钢包热修环节，5台智能机器人和1台悬臂吊协同作业，对1000多摄氏度的钢包进行内衬检查、滑板安装、引流砂加入等作业，仅20多分钟就完成一次钢包的维修维护。

“在钢铁生产中，钢包热修是条件艰苦的关键岗位，人工作业面临高温、高强度的挑战。”首钢京唐精炼作业区工艺工程师赵佳伟说，曾经，钢包热修工必须穿上全套阻燃隔热防护服，手动更换重达数百公斤的滑板装置，不仅效率低下，还存在安全隐患。

智能机器人上岗了。有负责三维扫描的，有负责残渣清理的，有负责滑板更换的……首钢京唐开发了协同控制技术，能同时调度5台机器人高效率协同作业，作业精度达到5毫米。

“机器替人”，把钢包热修工从高危作业环境中解放出来。如今，他们坐在离钢包热修20多米的主控室里，动动鼠标，就能轻松操作各类机器人，有效提升钢包热修质量。

钢铁生产是复杂而庞大的生产流程，在炼铁、炼钢、物流等环节均存在一些作业环境复杂、安全风险较大的岗位。智能新设备、新技术的应用，让这些钢铁工人体验到工作环境的巨大变化。

在首钢京唐冷轧物流库，一辆无人天车将热轧钢卷精准抓起，从库房稳稳吊运到冷轧车间，整体过程行云流水。

在首钢京唐数智运营部AI开发主管陈成记忆中，过去吊卸热轧钢卷，需要天车司机悬在空中20多米，动辄数小时高空作业，劳动强度很大。为改进作业环境，2019年，他们在冷轧物流库率先开展了无人天车试点。

经过不断摸索，他们开发了无人天车智能化控制系统，具有钢卷位置自动识别、库位自动分配等功能，实现钢卷快速出入库。

试点成功后，他们又在热轧物流库、运输码头物流库、镀锡物流库等库区进行示范推广。目前，24个智能无人库区建成，让原材料、成品的流转更加高效。

5G专网展示“云力量”

智能工厂是一项系统工程，需要构建覆盖物质流、能量流、信息流的全流程闭环控制体系，对网力提出极高要求。

早在建厂初期，首钢京唐就建设了信息化系统。虽然几经改造，但是面对智能化制造中快速传递大量信息的需求，传统IT架构越来越难以为继。

“网络时延高，意味着传感器传输画面所需时间变长，大大影响智能设备和数字模型运行效率。”陈成说。

2020年，首钢京唐建立了5G专网，后面又进行了升级，部署算力基站、5G核心网等，提升通信网络能效。

拿炼钢产线为例，该公司搭建了支持两个不同频段信号处理的双频基站，即便在钢结构密集、高温高电磁干扰的作业区，控制指令也能毫秒级响应，避免因信号延迟导致生产事故。

除了智慧炼钢，5G技术还应用于对网络带宽与作业时间有严苛要求的港口货物装卸环节。

在首钢京唐成品码头，一艘铁矿石货轮稳稳靠泊岸边，40米高的抓斗卸船机挥舞钢铁手臂，将铁矿石以每小时逾万吨的速率抓取上岸。

通过5G技术智能化改造，公司卸船机具备智能抓斗控制、自动防摇和精确识别定位功能，跟传统卸船机装卸作业方式比，每班作业量提升14.6%。

在4G时代，想要卸船机全自动作业困难重重，一次网络卡顿就会让远程控制指令响应不及时，严重时会导致装卸出错。

为此，首钢京唐开发了国内首套基于5G技术的散料卸船机全自动操控系统。

陈成回忆说，最初，抓斗自动放料不稳定，由于车辆偏位会导致铁矿石遗撒。研发团队创新性地在系统中增设倒运车辆位置识别功能，通过自动扫描技术认定车辆完全就位后，才允许抓斗执行倾倒动作，解决了难题。

5G一张网，支撑着钢厂不断延伸智慧应用场景。如今，首钢京唐5G技术已覆盖4000余个数据采集节点，其“5G+工业互联网”模式被纳入工信部5G工厂名录，成为全国推广的标杆。

发布于：北京

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