梅钢连铸生产无人化的探索与实践

来源:世界金融导报 2020-02-28 16:55:36

上海梅山钢铁股份有限公司(以下简称:梅钢)是中国宝武宝钢股份(600019)四大制造基地之一。近年来,梅钢推进“制造技术领先、效率领先”的战略部署,大力推进钢铁精品基地建设,不断促进工艺装备、产品结构的优化升级,打造“城市钢厂”“智慧钢厂”。在炼钢工序开展“三化五中心”设备智能化改造,先后完成转炉“一键炼钢”、连铸“无人浇钢”、遥控行车等智慧制造项目,其中连铸“无人浇钢”技术、智能化冶金铸造行车技术填补国内空白。梅钢成为国内首家实现连铸无人浇钢的钢铁企业,在业内引起巨大反响。梅钢连铸生产无人化将在钢水旁的生产操作员工解放出来,连铸操作从全部的机旁操作转变为大部分时间的监控操作,工人接触职业危害的环境时间极大减少,连铸工序的生产稳定性、质量水平、生产效率和劳动效率均得到大幅提升,并创出了显著的经济效益。

1 梅钢连铸生产无人化的探索与实践的背景

连铸是将钢水浇铸成一定尺寸钢坯的生产工序,在钢铁企业生产链中处于十分重要的地位。传统的连铸生产是粗犷的人工管理,属于劳动密集型产业,依赖于现场操作人员的经验和技能水平来确保生产任务的实现。连铸生产过程中的中间包开浇、拉速调节、吹氩控制、异常处置、在线调宽、混浇板坯处置、板坯下线等都需要人工在线24小时操作控制。不同从业经历、不同技能水平的员工就有不同的操作方法,对生产稳定性的影响极大。同时由于连铸作业岗位存在高温、粉尘、噪音等诸多职业病诱发因素,不利于员工身心健康。因此,生产过程中做到最少的人工干预、让连铸操作工人远离恶劣工作环境,逐步实现少人化甚至无人化,成为梅钢近年来探索追求的目标。

21世纪以来,智慧制造、机器人、大数据、数学模型技术方兴未艾,众多国家和企业都列入关键技术进行优先发展,中国宝武、宝钢股份也分别制定了智慧制造战略,打造面向未来钢铁的全新竞争优势。智慧制造为钢铁行业生产技术进步、管理水平提升提供了新的突破口。但是这些新技术如何落实到炼钢连铸产线,如何实现连铸生产无人化,仍需要不断的探索和实践。奥钢联林茨钢厂、日本新日铁、韩国浦项等钢厂在国际上都属于技术设备先进的大型企业,但其连铸生产仍需要有人在现场操作和监控。连铸生产无人化在国内外均无成功的经验。

究其原因主要是行业内在无人化自动浇钢关键技术没有突破,没有形成一整套无人化生产管理思路,一旦出现生产事故和异常还必须依赖人工及时处理。由于连铸生产过程必须做到连续、快速和稳定,企业无法承受生产中断和事故扩大化带来的严重后果,包括安全风险和经济损失等。

为响应《中国制造2025》号召和宝武智慧制造的要求,梅钢近年来加快推进智慧制造和生产劳动效率提升工作。其中连铸工序规划以“自动浇钢”为核心,以智能设备和技术开发为基础,结合信息技术和大数据技术的应用,逐步实现大

包浇钢、中包浇钢、精整等主要岗位的无人化,降低人工干预程度和人员的劳动强度,打造智能高效的连铸产线。2014年2月,梅钢成立了研发团队,自主开发和推行连铸生产无人化。

2 梅钢连铸生产无人化的探索与实践的创新点

针对实现连铸生产无人化的难点,从两方面进行突破和创新:

一是国内首创无人化连铸关键技术,实现自动连续生产和事故自动处置。自主开发结晶器异常自动处置、拉速自动导航、中间包自动开浇、自动语音播报、结晶器自动吹氩、在线自动更换水口等技术,实现中包浇钢无人化;应用工业机器人技术,实现大包浇钢无人化;开发连铸智能物流模型,实现精整作业无人化。最终实现除生产准备和监控以外的人工操作灭失。

二是形成一整套在业内可推广的无人化连铸生产管理思路和方案。包括简单化的作业管理、模型化的工艺管理、信息化的过程管理三个方面。将连铸生产从依靠人为经验的粗犷的人工管理,转变为通过前置的自动程序、生产模型、管理模型实现简单操作和简单管理,减少生产过程的人工干预,实现更高的管理精度,更高的生产劳动效率。

3 梅钢连铸生产无人化的探索与实践的主要做法

2014年,梅钢针对连铸工序的发展方向组织相关管理、技术人员对系统进行思考和规划。针对其成品工序的定位和生产工艺的特点展开调研和讨论,确定了以减少事故实现稳定生产、以提升质量实现精益生产、以减员扩能实现高效生产的发展目标。为实现这个目标,在技术上依靠智慧制造项目开发全自动连铸技术,逐步实现少人化、无人化。在管理上必须探索简单有效的管理方法、建立集中高效的管理模式、培育精干的员工队伍。

为此,梅钢组建“连铸区域智慧制造”、“连铸生产管理和效率提升”、“软件自主编程”三个团队,分别从设备智能化、管理创新、软件技术方面开展攻关研究,探索连铸生产无人化的路径和经验。

团队间紧密协作,收集分析历年来生产、安全、质量事故的数据,以及员工岗位配置、作业动作和时间等数据,探索连铸生产管理的优化创新举措。通过对连铸作业管理、工艺管理、过程管理的分析研讨,找到了管理效能低下、员工技能参差不齐、人为干预因素过多、岗位布局分散等关键影响因素,逐步形成改进思路和办法。逐步研发出自动浇钢、智能物流模型、异常自动处置等无人浇钢关键技术。2016年1月,梅钢连铸智能浇钢改造项目开始施工,2017年3月梅钢二连铸“无人浇钢”系统成功投用,为国内首创。

同时形成了一整套在业内可推广的无人化连铸生产管理思路和方案,包括简单化的作业管理、模型化的工艺管理、信息化的过程管理三方面。适合于钢铁企业连铸工序推广借鉴。

3.1 简单化的作业管理

传统的连铸生产管理过于强调员工作业技能在生产过程控制中重要性,要求员工具备各种复杂工况下在极短时间内做出准确判断和正确处置,对员工主观判断和临机决断处置能力提出很高要求。但不同背景和不同从业经历的员工技能水平差异极大,通过培训、帮带等措施,事实上难以很好的解决员工的作业技能差异和员工作业过程中的状态波动。特别是员工的应急操作技能,很难短期内达到复杂状况下“不出错”的要求。客观存在的一些差异和波动成为连铸生产现场最大的不稳定因素,也是潜藏的生产事故、质量事故的最大诱因。

为解决这个难题,项目团队以把复杂的工作简单化为方向,围绕“作业简单化、浇钢无人化”,从提高设备自动化程度、系统自主判断能力、系统自动处置能力等方面提升系统能力,开发出无人化连铸关键技术,实现了多项自动和一键式操作,减少或避免员工的主观判断作业,减少人工干预,实现浇钢作业无人化。

1)异常作业自动处置

由于连铸生产过程中的异常事件和其他不可预见的生产事故,导致操作人员必须时刻在结晶器旁边监护。如果发生事故不能准确判断或者判断错误,将会导致更加严重的后果,甚至严重的安全事故发生。要实现作业简单化,首先就必须解决异常时的智能判断和自动处置问题。

以往的连铸生产事故,由连铸溢钢、漏钢、断流等三种异常所导致。项目团队分析发现,这几种事故可以通过结晶器液位的涨幅和下跌来区分。通过速度和实时拉速的比值这一关键参数,关联判断涨幅值的大小和涨幅值的上下极限值,可以从以上数据中拟合出结晶器内发生的异常,进一步判断出异常的类型。然后依据异常类型做出自动处置,并给操作工人发出警报,从而实现了连铸机典型异常的自动识别、自动处置。梅钢率先在国内实现“连铸结晶器无人浇钢”,浇钢作业模式从传统的“值守型”转变为“监护型”作业,员工由之前的80%时间聚精会神坐等异常,转化为80%的时间来预防和减少异常。

2)关键作业一键式

对更换水口、更换中间包、开浇等连铸关键作业进行“一键式”智能化集成改造,员工只需要一个简单按钮即可实现此前的复杂操作,大幅减少作业过程中人工操作步骤和时间,降低了员工劳动强度和出错率,减少人工控制带来的质量波动和漏钢等恶性生产事故的发生。

“一键式更换水口”对结晶器液位自动控制系统功能扩展,在快换水口前自动记忆当前塞棒开度,自动关闭塞棒并

激活水口快速更换就位后自动打开塞棒,自动调整结晶器液位至目标液位,全过程无需人工控制结晶器液位。快换水口过程结晶器液位波动幅度从人工控制的40-60毫米降低至30毫米以内,液位波动时长从人工控制15-16秒缩短至3-5秒。

“一键式快换中包”将传统快换中包作业中人工判断中间包烘烤效果、人工中间包车定位、人工判断铸机停机、人工控制拉速、人工判断中间包液位等操作确认项目,通过中间包连续测温、激光测距、中间包精确称量、注流数据计算模型、电磁涡流检测等技术的应用,实现中间包快换作业全过程系统自动判断、自动执行。

“铸机自动开浇系统”通过对结晶器液位自动控制系统(MLC)参数优化,建立“注流通钢量-塞棒开度”数据模型,实现传统铸机开浇作业过程中的人工判断注流、人工控制液位的自动判断、自动控制。开浇过程“出苗时间”命中率从人工开浇的50%以下提高至90%以上,开浇目标液位到达时间从150秒以上降至100秒以内。

3)全工序状态实时自动判断

异常作业自动处置后,工人还是需要在现场控制拉坯速度,对不同钢水过热度、不同生产节奏等情况下的拉速实时调整。为此,项目团队开发了连铸拉速自动导航系统,对全工序状态实时自动识别判断并下达最优的拉速控制方案指令,有效的解决了人工控制拉速对工序衔接状态判断失误导致的生产波动和断浇事故。该系统根据钢水浇注温度和钢水实际成分,动态提供精确的实时钢水过热度,然后让拉速根据钢水过热度自动控制决策,实现全过程拉速自动控制。投用后整个作业过程完全不需人工参与控制,实现了真正意义上的全程无人干预的恒速稳定浇注。2017年二连铸目标拉速恒速率由2016年的44.05%提高到61.52%,连铸拉速波动和拉速超标质量改钢量比2016年降低487吨。

4)语音辅助

在实现无人浇钢、拉速自动导航后,操作人员都集中在监控中心。监控中心监控画面较多,如果发生异常不能及时查看或者处理,也将带来严重后果。让操作人员从繁杂而重复的人工语音提示系统中解放出来,使其更加注重于对生产过程的全面监控,对全面掌握生产流程和减轻操作强度有重要的意义。项目团队将自动语音播报作为作业辅助系统,成功地实现了连铸生产过程中各项关键工艺参数的异常播报和状态监控。自动语音辅助系统集成外部连锁流程信号和关键点的工艺参数,包括中包烘烤、液位控制、流线冷却、流线、平台等区域,能对中间包烘烤、大包开浇、中包开浇、连铸机起步、连铸二冷水跟踪、板坯跟踪值、铸机停机超时等信息进行自动播报。通过“语音”方式将作业过程中的重要信息及时准确的全域传播,还解决了岗位协作作业信息传递即时性、完整性问题,保障了高效的团队协作。

通过以上简单化管理举措,不仅极大改善员工作业环境,更重要的是改变了作业方式,员工不再为繁重的体力劳动和随时可能发生的生产异常疲惫不堪,被解放的精力更多地致力于前置作业,充足的生产准备作业为生产稳定顺行提供有力保障。

3.2 模型化的工艺管理

连铸生产工艺、产品制造标准对生产过程稳定和板坯质量至关重要,板坯生产出来以后的质量判断识别、物流输送也是一个繁杂的系统,如不能准确判断板坯的信息和实现最快的物流,将会导致板坯的异常下线量大,缺陷板坯不能及时识别,物流热量损失较大甚至产生质量异议等。为此,项目团队运用数理逻辑方法建构生产工艺数学模型,将连铸生产过程中的关键工艺技术,通过模型化加以实现和自行处置,把连铸关键工艺管理思路和操作执行要点编制为计算机模型,计算机采集各类数据自动执行,代替人工管理。以智能混浇、连铸远程自动调宽、板坯下线垛位自动推荐和板坯质量判断等四个模型为代表,实现了关键工艺技术的模型化管理,生产标准得到了更加精确有效的执行,还成功的实现了精整区域的无人操作,取消了传统意义上的质检工、出坯工、铸坯管理工等连铸工种。

1)智能混浇模型管理

由于用户合同的不同,经常需要不同的钢种混合浇铸,便于不停机连续生产。连铸智能混浇模型,能自动识别连铸生产过程中产生的混浇板坯,实现从混浇计划编制到混浇坯最终判定的程序化操作,加强了计算机系统对混浇管理的支撑。通过对异钢种生产过程(确定从混浇计划生成到混浇板坯的整个流程)的跟踪、分析,在L2系统中增加了“混浇坯长度计算模型”。该控制模型通过通讯接口与其他系统相互联系,模型间相对独立,模型内部又根据不同功能设计多个小的子模块。混浇模型应用后,混浇板坯取样量、废品量、混浇改钢量都有明显下降,同时也真正意义上实现了混浇自动控制。

2)远程自动调宽模型管理

因梅钢热轧轧机设备侧压量较小,同时单合同订单量不大,造成炼钢连铸生产过程中同宽度板坯生产批量小,现场生产需要通过频繁的对结晶器进行在线调宽来满足合同生产的需求。再加上热轧设备及质量控制要求,供热轧板坯头尾宽差要求控制在30毫米内,宽差超标板坯需纵向切割后送热轧等情况,导致连铸调宽工艺非常繁琐,调宽坯下线量非常大,对连铸现场的物流和自动控制造成很大的影响。

项目团队通过系统分析研究,确定了通过系统化模块设计实现作业过程自动调宽的思路,使这一操作实现了模型管理。其管理方案为:以CA秒T_Lot的生产组织模型来组织调宽生产计划,以预定板坯号作为为板坯生产的最小组织单元,在不增加调宽次数、不影响生产节奏的前提下,通过利用预定板坯轧制宽度范围优化调宽生产计划,将影响调宽的相关因素集成在模型中统一考虑,通过模型实现调宽控制点的精准定位,通过切割模型优化实现调宽坯分割合理、二次下线及处理量最少。在远程自动调宽模型管理下,预定板坯号赋号率由以前的89%提高到94%,实现了调宽开始位置、拉速、调宽幅度的自动计算和智能识别功能,自动优化切割短定尺由原来的改钢率0.61%降低至0.35%,大幅提升了现场自动控制水平,降低了操作人员工作强度。

3)板坯质量智能判定模型管理

传统的板坯质量管理有专门的质检工岗位,24小时在线目测判定板坯质量合格与否,质检工作质量与员工的经验技术水平密切相关。项目团队通过对缺陷板坯的历史数据建立图谱,构建了板坯质量智能判定模型,可实现对切割后板坯的自动处置功能。该模型由15个子模块组成,针对板坯不同情况(板坯类型、异常事件、缺陷情况、规格情况等)的自动判定,并设置、固化作业标准和控制计划,实现了板坯自动判定、板坯出钢记号自动改钢、板坯处置计划自动生成、板坯处置标准的静态表维护、质量判定模型的可扩展等功能。很大程度上减少了操作人员的劳动负荷,提升了连铸生产管理的智能化水平,减少了异常板坯的误判、漏判情况,提高了异常板坯判定的及时性和标准的可控性。

4)板坯下线垛位自动推荐模型管理

不同批次的板坯需要确定不同的堆放位置和后工序不同的去向。以前的板坯下线,都只能依靠工人人工判断垛位,然后通知安排行车按照命令进行板坯下线作业,劳动效率低下。由于人工操作中的信息传递、个人判断等情况可能造成的板坯下线垛位不合理的状况。项目团队开发板坯下线垛位自动推荐模型,系统通过自动对板坯属性值的判断,寻找板坯库中的最合理堆放位置,并自动生成行车命令,提醒行车作业人员定点堆放,实现了板坯下线的垛位智能管理。板坯自动垛位推荐技术的运用,极大程度地提高了行车作业效率,提高了物流速度,有效提高了连铸库区的堆放能力,提高库区管理的智能化水平的同时减少了地面操作人员的作业负荷。

3.3 信息化的过程管理

连铸生产过程特殊性在于连续性和不可逆性,生产过程的基础信息和状态信息对生产决策、过程追溯意义重大。信息化的过程管理对生产稳定、质量提升尤为重要。过程管理中的信息化应用水平决定了生产过程决策、质量持续改进能力。特别是设备功能精度、生产工艺条件、生产过程状态、产品质量特征等重要信息的关联运用成为过程管理的重中之重。为提高连铸生产过程管理信息化水平,项目团队提出以“集控化、平台化、清单化”为手段的信息化管理目标。

1)集控化

梅钢二连铸共设有大包、浇钢、中控、切割、出坯和质检六个岗位和操作室,岗位之间各司其职,位置分散,距离较远,不利于信息传递、生产组织管理和劳动效率提升。项目团队决定打破“岗位差异”观念,对区域内各生产岗位进行整合优化,对作业方式进行重新定义。建立二连铸集控中心,将所有工种和操作点整合为一,集成一体化综合操作平台,将3号、4号连铸机各手动操作台迁移至此进行远程操作控制,实现生产信息、生产过程的集控集管。通过新增远程视频监控系统、操作点集控化改造在业内首家实现连铸全区域作业集控化远程作业。集控后员工工作职责进行延伸,提高了劳动效率,精整区域实现无人化,连铸平台下区域实现了“黑灯工厂”的目标。集控化作业解决了传统岗位分布中生产信息的区域局限,使区域内所有作业人员对全过程生产状态信息实现“对等获知”,为恰当和提前的生产决策奠定了基础。

2)平台化

传统的生产过程管理中不同程度的存在过程信息应用的及时性和全面性的问题。大量的基础信息未被应用于即时的生产指导,特别是设备管理过程中大量的区块信息未被应用于生产决策,仅仅成为事后分析的依据甚至成为没用的“僵尸信息”。为更好的将设备在备件期、服役期、离线期各生命周期阶段的状态信息进行整合运用,更好的指导设备状态管理服务于生产,项目团队建立“设备全生命周期信息管理平台”。将设备、生产、工艺各方信息进行平台化整合,实现连铸设备从备件质量、运行状态、下线残值等信息各方实时共享,解决了设备管理中信息时效性的问题。为设备异常及时响应、质量异常有效追溯、状态管理持续改进提供准确客观的数据支撑。通过平台化数据的应用,实现了关键核心设备状态的快速提升,解决了多项长期未解决的问题。结晶器BOPS(漏钢预报)系统热电偶故障率从10%以上降低至1%以下,结晶器对弧等设备功能精度符合率从80%以下提升至95%以上。

为解决连铸机生产过程信息模块化应用问题,使来自L1/L2等不同信息系统的过程信息实现关联运用,项目团队建立“连铸过程信息挖掘系统”,使连铸生产过程基础信息的长期收集存储,并以铸坯产品为单位将生产过程信息自动进行归并分析,为产品质量改进提供“模块化”信息。使产品的过程信息与质量特征信息实现精准关联,为质量分析过程改进提供方便、快捷、准确的信息服务。

3)清单化

生产过程总会出现一些细节的异常,如有员工忘记检查水口,有中包升起来以后才发现下水口没红,有员工烘中包水口时只烘一个而忘记另外一个等。最后分析原因一般都归结为违反标准化作业,实际上根源在于“遗忘”。项目团队推出清单管理举措,在连铸生产管理信息化系统中集成各类重要作业清单,凡事只要做,就列出来一张清单,然后逐个执行和核查,解决作业过程可能存在的疏漏和遗忘问题。

作业过程清单分为两类。一是执行清单,如《中间包检查确实表》、《设备巡检表》等。对中间包检查、铸机设备点检、铸机功能精度检查等主观性作业进行制作“清单式作业卡”,把所要执行检查确认的项目全部列入,员工在作业过程中“按卡作业,逐项评价”,确保不漏项。二是核查清单,主要是对客观性生产条件进行核查。在信息化系统界面中展示生产模式切换到该模式下需要的全部设备工艺条件,是否满足条件在前面用不同的颜色标记,生产能否进行下一个步骤一目了然。经过实践检验,还不断拓展清单管理的运用范围。比如终浇后一系列操作、作业区管理、交接班信息传递等。在没有要求即时做出反映的生产辅助准备和设备巡检等工作,也使用了执行清单来管理。同样也将核查清单运用在生产准备条件确认和关键作业条件确认中。比如将结晶器插板确认列入核查清单,杜绝了调宽漏钢事故的发生。各类清单的使用,不仅实现了“防错防漏管理”,同时也使所有作业行为易评价、可追溯。

4 梅钢连铸生产无人化的探索与实践的效果

4.1 社会效益

梅钢以减少生产过程的人工干预、实现连铸生产无人化为手段,以连铸生产的稳定、高质、高效为目标,国内首家实现连铸无人浇钢,打破传统意义上的连铸生产操作概念,填补了国内空白。2017年10月,《泰科钢铁》杂志对梅钢连铸生产无人化进行专项报道,在国内钢铁行业引起巨大反响。首钢迁钢、首钢京唐、河钢邯钢、华菱湘钢等国内知名钢铁企业先后来参观并借鉴梅钢做法进行了本企业连铸的升级改造。目前已在宝钢股份湛江钢铁、武钢有限和重庆钢铁(601005)借鉴推广。梅钢的无人化连续铸钢生产关键技术,引领了国内连铸智慧制造的发展。

连铸生产无人化把在结晶器旁的生产操作员工解放出来,远离高风险操作区域,大幅度降低了连铸操作工接触职业伤害的时间。连铸操作已经从全部的机旁操作转变为大部分时间的监控操作,连铸操作工人接触职业危害的环境时间减少了80%,大幅度降低了生产操作安全隐患。

4.2 经济效益

简单化、模型化、信息化管理,提高了连铸生产效率和稳定性,提高了产品质量。2018年连铸生产稳定周期创造了213天无任何事故的历史记录,2017年、2018年二连铸板坯年产量均超过设计能力20%。连铸平台成功实现无人浇钢。连铸平台以下精整区域彻底实现无人化,成为了真正意义上的“黑灯工厂”,直接减员21人。

标签:

相关新闻