第一篇：我国钢铁工业自动化技术应用进展步伐与建议
我国钢铁工业自动化技术应用进展步伐与建议
一、前言
钢铁工业自动化不仅是现代化的标志，而且是能获得巨大经济效益和高回报的技术。据奥钢联统计，使用了该公司的自动化系统后，已证实烧结可提高生产率5%，高炉铁水成本降低16%，转炉温度偏差减少约40%、碳偏差减少约45%、重吹率降低约60%、生产率提高约10%，二次吹炼降低合金化成本 15%、缩短处理时间5%，连铸漏钢减少80%、最终板材不合格率降低60%、热装率提高6%、耐酸钢质量检验不合格率降低75%，热轧加热炉节能10%、轧出板带宽度公差为±3mm、收得率提高0.75%、厚度公差降至标准值的1/
4、板形波动<20μ、平直度偏差在30I单位以内、卷取温度偏差
解放前我国钢铁产量很低。从1890年建设汉阳铁厂算起到1948年半个世纪，钢总产量累计不到200万吨，年产量最多的1943年才92.3万吨，而且主要集中在日伪侵占的东北，自动化作用与需求当然不会太大。解放后特别是改革开放后，钢铁工业飞速发展，1949年钢产量占世界第26位，1957年达535万吨，排世界第8位，1996年达1亿零1百万吨，上升到第1位，现在已超过2亿6千万吨，生产这么多钢铁，如何节约原燃料和人力，提高产品质量等，自动化技术就显得非常必要。
二、我国钢铁工业自动化技术的现状与评价
我国钢铁工业自动化技术的应用实际上是从解放后开始。经过60年的努力，我国钢铁工业自动化的水平已和西方发达国家的应用水平相差无几，其表现为：①我国如宝钢、鞍钢、武钢等大型钢铁公司等主要机组如高炉、转炉、冷热板带轧机等大都和日本五大钢铁公司、德国蒂森钢铁公司以及英、法、美等相应机组的自动化水平基本无大差别，甚至地方大中型钢铁公司如济钢、邯钢或者民营的沙钢等新建或改建的主要生产机组除管理自动化外与国外也差别不大;都是多级计算机控制系统，采用的装备都是PLC、DCS、先进的检测仪表和电力电子装备;②从统计数字来说，据中国钢铁协会近年来的调查，在基础自动化方面采用PLC、DCS或工业控制机进行控制已较普及，按工序来分，采用这样的计算机控制的采用率分别为高炉100%，转炉95.43 %，电弧炉 95.9%，连铸99.42%，轧钢99.68%;过程自动化方面(包括优化与模型控制或操作指导)，计算机配置率分别为高炉57%, 转炉5639%，电弧炉58.56%，连铸60.08%，轧钢75.5%;管理自动化方面，计算机配置率分别为高炉5.97%，转炉23.03%, 电弧炉26.12%，连铸20.64%，轧钢41.68%;③从应用高技术来说，公认的自动化高技术——CIMS和机器人的应用，我国钢铁厂如宝钢、鞍钢、武钢等大型钢铁集团公司等都设有或在建，而且大都以ERP为核心的系统，最新的三级CIMS系统中的MES系统也在主要机组中实现;宝钢等大型钢铁集团公司更设有电子商务系统，正向着与CIMS系统连接成为当代世界上最先进的 WIMS(网络集成制造系统)方向前进;机器人也有应用，如原料的自动取样、转炉副枪的自动更换探头装置，虽然是属于机械手和重演机器人性质，但是西方在钢铁工业使用智能机器人也不多;此外，在钢铁工业自动化先进性标志上，如数学模型和先进控制都有应用，而且许多是世界先进水平的技术，如高炉的多个数模和专家系统、转炉的终点动态控制数模、连铸的质量判断优化切割漏钢预报等数模、冷热板带轧机的轧钢设定和控制数模等;智能控制中的模糊控制、专家系统、神经元网络和模式识别也有许多成功例子;在管理数学模型方面如编制计划专家系统和物流控制模型也得到应用;④先进自动化装备如PLC、DCS、管理控制计算机以及现代检测仪表(包括近年来发展起来的现场总线及工业以太网络)、先进的电力传动及控制装置(包括数字化控制及晶闸管、可关断电力电子器件如GTO、GTR、IGBT等组成的各类交直流调速装置)已和西方发达国家一样用于钢铁工业中，甚至综合了IGBT与GTO的优点的新一代大功率电力电子器件IGCT组成的最新交流调速装置也在宝钢1880mm热轧带钢厂中应用;⑤在自动化工程设计、研究和教育方面，国内设有专门的全国性钢铁设计院，均设有自动化、电气和计算机的科室或专业，大中型钢铁企业亦有类似机构，能进行三电工程(电气、自动化、计算机，国外称为 EIC，国内由于其同属电类，常称为三电)的设计;亦设有专门的全国性冶金自动化研究设计院(包括国家自动化工程试验室)，大中型钢铁企业亦有类似机构如宝钢技术中心的自动化研究所和宝信软件公司，能进行复杂的包括基础自动化、过程自动化和管理自动化的研究和设计，并提供整套硬件、软件装置和调试投产服务，也有专门的面向冶金的自动化工程的安装部门;此外，国内设有专门面向冶金的自动化技术的高等院校，如东北大学、北京科技大学等的信息工程学院，每年培养大量三电技术的本科、硕士博士毕业生。
但还应清醒看到，我国钢铁工业白动化和西方发达国家还有不少差距、问题，需要有克服的对策。因为我国钢铁工业自动化所用的关键设备和技术大都是引进的，硬件如最基本的PLC、DCS和过程控制与管理计算机几乎全部是引进的，电气传动的先进调速装置、电力电子器件除晶闸管外IGCT等都是引进的，晶闸管调速装置虽然是国产化，但其关键的电子调节器也是引进的，而西方发达国家，如日、德、美、英、法、瑞典等主要自动化硬件产品很少使用别国的。参观国内工厂有西门子、施耐德、ABB和日本各电气公司产品展示的感觉。高技术的机组大多为引进或者核心技术是引进的，如高炉数学模型，过去是引进日本的，现在则是从芬兰或奥钢联引进，而且引进多套和重复引进，其他许多数学模型也是引进的。原冶金工业部副部长兼宝钢集团公司董事长和总经理黎明同志曾指出：“中国钢铁工业发展道路是引进、落后、再引进，宝钢花了300亿还如此，因此必须要制作并执行中长远科技规划”，我国钢铁工业自动化事实上也是这样。此外，国内研制的自动化系统和技术大都是消化吸收性质，少数有自己知识产权的数学模型，创新也不多，至少没有如日本川崎制铁的高炉GO-STOP模型那样的能销售到德国、巴西、中国、芬兰等各大钢厂的抢手货，高技术系统如质量直接控制等也没有，更没有像日本NKK 公司的烧结无人化工厂、川崎制铁的板带热连轧无人化工厂，因此必须找出差距，更有必要回顾发展历史、找出原因和认真解决。
三、我国钢铁工业自动化发展的历史回顾
我国钢铁工业信息化及自动化的进展大致可以分为两个阶段，即自动化起步和发展的第一阶段，和以计算机和多学科高技术为核心现代自动化的第二阶段。每个阶段又分为几个不同时期。
3.1 我国钢铁工业自动化发展的第一阶段
(l)三年经济恢复时期(1949-1952年)。抗日战争胜利后，我国钢铁主要产地鞍山(也是昔日世界第6大的钢铁厂)，由于战争破坏、战后停工以及外国把较新的机组如3、5-9号高炉、二炼钢，大型及无缝钢管厂设备拆走，产钢已微不足道。1949年全国粗钢产量仅15.8万吨，新中国成立后，大力恢复生产，到1952年粗钢产量已超过历史最高水平，达1349万吨，但自动化还非常薄弱，如炼铁、炼钢、轧钢仅有一些热工管理如测量温度、压力、流量等仪表和德国生产的ASKANIA油压调节器用以调节煤气压力等，在电气传动方面，大都是人工远距离手动控制。值得一提的是鞍钢一初轧日伪时期从德国引进的IGNER直流电机调速控制系统，设计非常独特，初轧机驱动电动机功率为16800马力，使用机组供电，由5000kW交流电动机带动两台输出串接的功率为7600kW的直流发电机和相应的励磁电机，并带一个大飞轮，由于初轧平均功率小于5000kW，达到16800马力峰值只是瞬时的，此时5000kW交流电动机连同因略为速降使飞轮释放的能量以驱动两台7600kW的直流发电机给16800马力电动机供电，仅此而已。1952年底苏联援建的8号高炉系统开工，可以说是我国钢铁工业自动化的开始。8号高炉设有全套自动化监控仪表，热风温度、热风炉燃烧、煤气压力自动控制，热风炉自动换炉，上料自动化(和现在一样，操作员设定上料图表后，由称量车称放料，上料，炉顶装料是全部自动顺序控制);发电厂的锅炉、透平机驱动的高炉鼓风也是自动控制的，前者包括输出蒸汽调节，锅炉汽包水位调节、燃烧控制等，后者包括可选的定风压或定风量调节等;其烧结(监控仪表、点火炉温度、空燃比控制，台车速度控制等)、炼焦(监控仪表、加热煤气压力控制，自动换向等)也是装备相应的自动化系统;所有自动化仪表和调节器虽然还是模拟式，电气控制是硬线逻辑系统，但也是当时的世界水平。
(2)第一个五年计划时期(1953-1957年)。国家提出“全国支援鞍钢”等口号，钢铁工业得到大发展。首先是1953年鞍钢三大工程七高炉系统、大型(重轨)轧钢厂、无缝钢管厂投产，接着是一炼钢改造，二炼钢，三炼焦，化工回收，5-6高炉、9高炉、3高炉系统(包括烧结、焦化、发电等等)，薄板等厂相继投产，其后本溪、武钢、包钢等改建或新建钢铁基地也开始建设，抚顺钢厂、北满钢厂等特殊钢生产厂也在改造与投产。这些从苏联引进的机组，其自动化水平与当时的国际先进水平大致相同，如平炉(当时世界主要靠平炉炼钢)都装备全套监控仪表、火焰自动换向、热制度调节等、电弧炉均装有炉顶装料、电极升降控制等，加热炉均热炉均设有炉压控制、温度和燃烧控制等，均热炉还设有炉盖打开自动连锁及控制等。与此同时，大批苏联专家来华指导设计、安装和生产，鞍山钢铁公司成立专门的钢铁设计院(1955年易名冶金工业部黑色冶金设计院)，设计院除原有电力设计科外，1953年成立机器及自动装置设计科，值得一提是自动化设计苏联顾问专家K.K.捷列森哥，的确具有国际主义精神，他热情指导我国技术人员进行自动化工程设计，无保留地及时提供有关设计资料、规程、规范、计算手册和可参考的苏联最新投产类似工程的全部图纸。当时国内还未生产新型自动化仪表及装备，捷列森哥专家认为中国要发展自己的自动化装备工业，不应都到苏联定货，为此，他带领我们跑遍上海各仪表厂，要求只能生产水银温度计的仪表厂生产各类温度
第二篇：我国钢铁工业自动化技术应用60年的进展问题与对策
我国钢铁工业自动化技术应用60年的进展问题与对策
一、前言
钢铁工业自动化不仅是现代化的标志，而且是能获得巨大经济效益和高回报的技术。据奥钢联统计，使用了该公司的自动化系统后，已证实烧结可提高生产率5%，高炉铁水成本降低16%，转炉温度偏差减少约40％、碳偏差减少约45％、重吹率降低约60％、生产率提高约10 %，二次吹炼降低合金化成本巧％、缩短处理时间5%，连铸漏钢减少 80％、最终板材不合格率降低60％、热装率提高6％、耐酸钢质量检验不合格率降低75%，热轧加热炉节能10％、轧出板带宽度公差为±3mm、收得率提高0.75％、厚度公差降至标准值的1/
4、板形波动＜20μ、平直度偏差在301单位以内、卷取温度偏差＜l6℃等等，自动化投资约 1-2年内收回，因此，世界各国钢铁工业都大力采用自动化技术。
解放前我国钢铁产量很低。从1890年建设汉阳铁厂算起到948年半个世纪，钢总产量累计不到200万吨，年产量最多的1943年才92.3万吨，而且主要集中在日伪侵占的东北，自动化作用与需求当然不会太大。解放后特别是改革开放后，钢铁工业飞速发展，1949年钢产量占世界第26位，1957年达535万吨，排世界第8位，1996年达1亿零1百万吨，上升到第1位，现在已超过2亿6千万吨，生产这么多钢铁，如何节约原燃料和人力，提高产品质量等，白动化技术就显得非常必要。
二、我国钢铁工业自动化技术的现状与评价
我国钢铁工业自动化技术的应用实际上是从解放后开始。经过60年的努力，我国钢铁工业自动化的水平已和西方发达国家的应用水平相差无几，其表现为：①我国如宝钢、鞍钢、武钢等大型钢铁公司等主要机组如高炉、转炉、冷热板带轧机等大都和日本五大钢铁公司、德国蒂森钢铁公司以及英、法、美等相应机组的自动化水平基本无大差别，甚至地方大中型钢铁公司如济钢、邯钢或者民营的沙钢等新建或改建的主要生产机组除管理自动化外与国外也差别不大；都是多级计算机控制系统，采用的装备都是PLC、DCS、先进的检测仪表和电力电子装备； ②从统计数字来说，据中国钢铁协会近年来的调查，在基础自动化方面采用PLC、DCS或工业控制机进行控制已较普及，按工序来分，采用这样的计算机控制的采用率分别为高炉100%，转炉9543%，电弧炉95.9%，连铸99.42%，轧钢99.68%；过程自动化方面（包括优化与模型控制或操作指导），计算机配置率分别为高炉57%, 转炉56.39 %，电弧炉58.56%，连铸60.08%，轧钢75.5%；管理自动化方面，计算机配置率分别为高炉5.97%，转炉23.03%, 电弧炉26.12%，连铸20.64 %，轧钢41.68%； ③从应用高技术来说，公认的
自动化高技术——CIMS和机器人的应用，我国钢铁厂如宝钢、鞍钢、武钢等大型钢铁集团公司等都设有或在建，而且大都以ERP为核心的系统，最新的三级 CIMS系统中的MES系统也在主要机组中实现；宝钢等大型钢铁集团公司更设有电子商务系统，正向着与CIMS系统连接成为当代世界上最先进的WIMS（网络集成制造系统）方向前进；机器人也有应用，如原料的自动取样、转炉副枪的自动更换探头装置，虽然是属于机械手和重演机器人性质，但是西方在钢铁工业使用智能机器人也不多；此外，在钢铁工业自动化先进性标志上，如数学模型和先进控制都有应用，而且许多是世界先进水平的技术，如高炉的多个数模和专家系统、转炉的终点动态控制数模、连铸的质量判断优化切割漏钢预报等数模、冷热板带轧机的轧钢设定和控制数模等；智能控制中的模糊控制、专家系统、神经元网络和模式识别也有许多成功例子；在管理数学模型方面如编制计划专家系统和物流控制模型也得到应用； ④ 先进自动化装备如 PLC、DCS、管理控制计算机以及现代检测仪表（包括近年来发展起来的现场总线及工业以太网络）、先进的电力传动及控制装置（包括数字化控制及晶闸管、可关断电力电子器件如GTO、GTR、IGBT等组成的各类交直流调速装置）已和西方发达国家一样用于钢铁工业中，甚至综合了IGBT与GTO的优点的新一代大功率电力电子器件 IGCT 组成的最新交流调速装置也在宝钢1880mm热轧带钢厂中应用； ⑤ 在自动化工程设计、研究和教育方面，国内设有专门的全国性钢铁设计院，均设有自动化、电气和计算机的科室或专业，大中型钢铁企业亦有类似机构，能进行三电工程（电气、自动化、计算机，国外称为EIC，国内由于其同属电类，常称为三电）的设计；亦设有专门的全国性冶金白动化研究设计院（包括国家自动化工程试验室），大中型钢铁企业亦有类似机构如宝钢技术中心的自动化研究所和宝信软件公司，能进行复杂的包括基础自动化、过程自动化和管理自动化的研究和设计，并提供整套硬件、软件装置和调试投产服务，也有专门的面向冶金的自动化工程的安装部门；此外，国内设有专门面向冶金的自动化技术的高等院校，如东北大学、北京科技大学等的信息工程学院，每年培养大量三电技术的本科、硕士博士毕业生。
但还应清醒看到，我国钢铁工业自动化和西方发达国家还有不少差距、问题，需要有克服的对策。因为我国钢铁工业自动化所用的关键设备和技术大都是引进的，硬件如最基本的PLC、DCS和过程控制与管理计算机几乎全部是引进的，电气传动的先进调速装置、电力电子器件除晶闸管外工GCT等都是引进的，晶闸管调速装置虽然是国产化，但其关键的电子调节器也是引进的，而西方发达国家，如日、德、美、英、法、瑞典等主要自动化硬件产品很少使用别国的。参观国内工厂有西门子、施耐德、ABB和日本各电气公司产品展示的感觉。高技术的机组大多为引进或者核心技术是引进的，如高炉数学模型，过去是引进日本的，现在则是从芬兰或奥钢联引进，而且引进多套和重复引进，其他许多数学模型也是引进的。原冶金工业部副部长兼宝钢集团公司董事长和总经理黎明同志曾指出：“中国钢铁工业发展道路是引进、落后、再引进，宝钢花了300亿还如此，因此必须要制作并执行中长远科技规划”，我国钢铁工业自动化事实上也是这样。此外，国内研制的自动化系统和技术大都是消化吸收性质，少数有自己知识产权的数学模型，创新也不多，至少没有如日本川崎制铁的高炉GO-STOP 模型那样的能销售到德国、巴西、中国、芬兰等各大钢厂的抢手货，高技术系统如质量直接控制等也没有，更没有像日本NKK公司的烧结无人化工厂、川崎制铁的板带热连轧无人化工厂，因此必须找出差距，更有必要回顾发展历史、找出原因和认真解决。
三、我国钢铁工业自动化发展的历史回顾
我国钢铁工业信息化及自动化的进展大致可以分为两个阶段，即自动化起步和发展的第一阶段，和以计算机和多学科高技术为核心现代自动化的第二阶段。每个阶段又分为几个不同时期。
1、我国钢铁工业自动化发展的第一阶段
(1)三年经济恢复时期(1949-1952年)。抗日战争胜利后，我国钢铁主要产地鞍山(也是昔日世界第6大的钢铁厂)，由于战争破坏、战后停工以及外国把较新的机组如3、5~9号高炉、二炼钢，大型及无缝钢管厂设备拆走，产钢已微不足道。1949 年全国粗钢产量仅15.8万吨，新中国成立后，大力恢复生产，到1952年粗钢产量已超过历史最高水平，达134.9万吨，但自动化还非常薄弱，如炼铁、炼钢、轧钢仅有一些热工管理如测量温度、压力、流量等仪表和德国生产的ASKANIA油压调节器用以调节煤气压力等，在电气传动方面，大都是人工远距离手动控制。值得一提的是鞍钢一初轧日伪时期从德国引进的IGNER直流电机调速控制系统，设计非常独特，初轧机驱动电动机功率为16800马力，使用机组供电，由5000kw交流电动机带动两台输出串接的功率为 7600kw的直流发电机和相应的励磁电机，并带一个大飞轮，由于初轧平均功率小于5000kw，达到16800马力峰值只是瞬时的，此时5000kw交流电动机连同因略为速降使飞轮释放的能量以驱动两台760OkW的直流发电机给 16800 马力电动机供电，仅此而已。1952年底苏联援建的8号高炉系统开工，可以说是我国钢铁工业自动化的开始。8号高炉设有全套自动化监控仪表，热风温度、热风炉燃烧、煤气压力自动控制，热风炉自动换炉，上料自动化（和现在一样，操作员设定上料图表后，由称量车称放料，上料，炉顶装料是全部自动顺序控制）；发电厂的锅炉、透平机驱动的高炉鼓风也是自动控制的，前者包括输出蒸汽调节，锅炉汽包水位调节、燃烧控制等，后者包括可选的定风压或定风量调节等；其烧结（监控仪表、点火炉温度、空燃比控制，台车速度控
制等）、炼焦（监控仪表、加热煤气压力控制，自动换向等）也是装备相应的自动化系统；所有自动化仪表和调节器虽然还是模拟式，电气控制是硬线逻辑系统，但也是当时的世界水平。
(2)第一个五年计划时期(1953-1957年)。国家提出“全国支援鞍钢”等口号，钢铁工业得到大发展。首先是1953年鞍钢三大工程七高炉系统、大型（重轨）轧钢厂、无缝钢管厂投产，接着是一炼钢改造，二炼钢，三炼焦，化工回收，5~6高炉、9高炉、3高炉系统（包括烧结、焦化、发电等等），薄板等厂相继投产，其后本溪、武钢、包钢等改建或新建钢铁基地也开始建设，抚顺钢厂、北满钢厂等特殊钢生产厂也在改造与投产。这些从苏联引进的机组，其自动化水平与当时的国际先进水平大致相同，如平炉（当时世界主要靠平炉炼钢）都装备全套监控仪表、火焰自动换向、热制度调节等、电弧炉均装有炉顶装料、电极升降控制等，加热炉均热炉均设有炉压控制、温度和燃烧控制等，均热炉还设有炉盖打开自动连锁及控制等。与此同时，大批苏联专家来华指导设计、安装和生产，鞍山钢铁公司成立专门的钢铁设计院（1955年易名冶金工业部黑色冶金设计院），设计院除原有电力设计科外，1953年成立机器及白动装置设计科，值得一提是自动化设计苏联顾问专家K.K．捷列森哥，的确具有国际主义精神，他热情指导我国技术人员进行自动化工程设计，无保留地及时提供有关设计资料、规程、规范、计算手册和可参考的苏联最新投产类似工程的全部图纸。当时国内还未生产新型自动化仪表及装备，捷列森哥专家认为中国要发展自己的自动化装备工业，不应都到苏联定货，为此，他带领我们跑遍上海各仪表厂，要求只能生产水银温度计的仪表厂生产各类温度传感器，只能生产水表或弹簧压力表的仪表厂生产各类自动化流量、压力和液位测量仪表，有些条件简陋的性质靠近的厂生产各类电子记录仪、PI调节器和执行机械等，要鞍钢设备处在工程中多定一台或从备份中提出一台做为样机，进行测绘仿制，以专家建议方式提交国务院专家办公室、上海市和鞍钢领导（当时规定苏联专家建议必须执行），并亲临制造厂作技术指导，就这样，约在1956年，我们不但能独立设计自动化工程，而且除个别从苏联进口新的装置作为样机仿制外，全部自动化装置均国内生产。
1955年苏联在马格尼托哥尔斯克市召开钢铁工业自动化会议，会上发表了各工序新控制系统、检测仪表及技术等，捷列森哥专家带回许多研究、应用的报告。并由于设计立足于可靠，不能作试验以免影响生产，这就需要有研究部门，不断提供新的、成熟的技术，捷列森哥专家建议冶金工业部成立新的自动化专业院所，并吸收苏联的经验和改进不足之处，苏联钢铁工业自动化的设计和研究是分立的，由цЛA（中央试验室）进行研究及试制，пMп（仪表自动化安装设计院，后易名中央结构设计局即цпkБ）进行工程设计（焦化、采
矿的自动化工程则由相应专业设计院的自动化科设计），建议成立统一部门。为此，1956年冶金工业部成立包括研究、设计和试制部门的热工控制研究设计院，并聘请цЛA的专家B.H．普里克隆斯基来指导研究。这过程虽然暂短，但也作出一些成绩，如钨铂热电偶测量钢水温度、利用弯头连续测量高炉各风口风量及其分配（国外是只用以测量水和液体流量，我国第一次用以测量高温气体流量，并导出其流量方程和试验得出其流量系数等，50年以后，我国唐山才系列生产测量水和气体弯头流量计）和烧结大口径废气流量、电子秤、高炉热风炉燃烧调节新系统，偏心收缩蝶阀特性研究等，为设计部门提供新技术。与此同时，天津传动所、上海工业自动化研究所、上海电器科学研究所也相继成立，他们也进行了很多钢铁工业自动化的研究工作。从上世纪 50年代开始，东北工学院、北京钢铁学院、中南矿冶学院、清华、浙大、西安交大、哈工大等高校相继开设工业企业电气化、仪表及自动控制等系和专业，清华更请来苏联专家（齐斯卡可夫教授及崔可夫教授）开设热力过程白动化及面向钢铁的生产过程自动化课程，并接受各院所企业技术人员旁听，为钢铁工业输送和培养大量人才。
国家编制的科学发展规划，其中3908项就是针对钢铁工业自动化，详细规定了炼铁、炼钢、连铸、轧钢的自动化项目、技术指标和完成日期。此外，还由中国科学院会同高校、热工控制研究设计院等人员专门对我国钢铁工业自动化现状进行考察。这些都大大促进了钢铁自动化的进展。
(3)第二个五年计划到七十年代初(1958-1973年)。上世纪50年代末期，我国在向苏联专家学习及从苏联引进技术、仿制引进设备和苏联156项工程完工生产的基础上，进入了自行设计并用国产设备装备新建或改建的钢铁企业的新阶段，如鞍钢l、2、3、4、9号高炉自动化系统和太钢115Omm 初轧主辅传动系统及均热炉自动化系统等，其自动化技术水平已接近当时引进机组的水平。但在1958年冶金部整顿组织机构，宣布刚成立不久的热工控制研究设计院下马，设计部门分散到各钢铁设计院，研究试制部门合并到钢铁研究院变成一个研究室（12室）二级单位，这样自动化专业就很难大发展，虽然仍研制了一些新装备及系统，如测量钢水温度的钨徕热电偶，以代替昂贵铂铭丝，测量连铸结晶器钢水液位的同位素液位计及其控制系统、真空直流电弧炉电极升降控制系统、高炉炉况判断智能系统、芝麻三极晶体管及以后的以芝麻三极晶体管为基础的厚膜工业控制用的高抗干扰数字逻辑组件、太钢六轧罩式退火炉群多点数字巡回检测控制系统等。后来中苏关系恶化，苏联撤回专家和撕毁合同断绝援助。到60年代初，钢铁研究院转向为军工服务，一般钢铁工业自动化研究就停止多年。此时，钢铁自动化设计主要是按旧系统设计，只是随着国内新的自动化装备生产
而以新的仪表和装备组成系统，如用单元组合仪表代替老式仪表等。60年代开始西方进一步发展自动化技术，特别是日本钢铁工业大扩张，并以包括计算技术和自动化应用作为其钢铁工业大发展的四大法宝（新工艺和新设备、大型化、临海钢铁厂、计算技术和自动化应用）之一，我国自动化水平与世界水平差距增大，特别是文化大革命期间。但尽管如此，各院所、工厂还是断断续续地发展自动化工作，如电力传动和控制方面，冶金部建筑研究院、天津传动所、西安整流器研究所等自60年代，从研制大功率硅二极管整流器开始，开发晶闸管直流调速，首先是大功率硅二极管整流器的应用（如国产的825V、10000A硅整流器在铝电解厂中应用，取代50年代的水银整流器），接着是功率较小的晶闸管励磁（如鞍钢一初轧2600kw主传动励磁装置），然后是大功率晶闸管供电（如上钢五厂500mm轧机1300kw主传动供电装置及70年代初投产的上钢一厂2300mm中板轧机和1200mm五机架带钢热连轧机，全轧线主辅传动全部用晶闸管直流电机调速，其最大容量为2600 kw)；检测仪表和自动控制方面，70年代初，鞍山矿山设计院研制成功电子皮带秤、自动给料机和烧结自动配料系统，并在鞍钢、攀钢和首钢应用，本钢也开发了用工业色谱仪分析高炉煤气成分，武钢和鞍钢先后应用极值控制系统控制高炉热风炉燃烧及拱顶温度，梅山、攀钢等也应用高炯称量料批重量和焦碳水分补正系统，天津传动所先后研制成功高炉磁性逻辑无触点和半导体（先是锗晶体管，以后是硅晶体管）程序控制上料装料系统，并用于鞍钢、攀钢、武钢和梅山等高炉中，1964 年在首钢 30t 转炉使用测温枪，并试验用快速微型热电偶炉外定碳，涟钢也研制成功晶闸管一电磁转差离合器电弧炉电极升降控制系统代替从波兰引进的老旧功率放大机系统；在计算机控制方面也作了许多尝试，首先国家组织首钢、钢铁研究院、冶金建筑研究院、738厂等尝试计算机应用，采用晶体管元件制作了三台K-154型计算机，计划用于首钢炼铁、烧结和小型厂，但由于元件不可靠等很多问题，无法用于工业控制，以失败告终。直至1973年鞍钢冷轧厂使用国产小型控制机，成功地对75座罩式退火炉进行温度控制，效果显著。
上世纪60年代中至70年代初，设计院、工厂开始谋求向西方引进，如太钢七轧成套设备从德国等多个国家引进，其中如光亮退火炉等使用德国西门子的以磁元件为核心的TelePerm-s系列PID调节器和执行装置等自动化装备，包钢五号球团带式焙烧机从日本成套引进，其自动化系统包括30多套以晶体管调节器为核心的仪表组成料位、温度、流量、压力、称量等自动控制系统，还设有多点数字巡回检测装置进行工艺参数记录、打印和报警，其电气控制系统也使用交流电机电磁转差离合装置或晶闸管直流电机调速装置以及硬件逻辑顺序控制设备；计算机系统也开始引进，如首钢用以转炉分析及终点控制的过程计算机和
制氧厂的控制计算机，太钢二炼钢也从奥地利引进成套氧气顶吹转炉，其自动化系统除常规控制采用晶体管等控制仪表外还采用德国西门子的计算机进行冶炼终点静态控制。外国先进技术和我国落后技术的差距，大大增加了我国的危机感，同时也促进了钢铁工业自动化第二次引进高潮。
2、我国钢铁工业自动化发展的第二阶段
(1)1973至1987时期。国际上已进入大规模全线自动化的计算机控制，这一新事物复杂而新颖，国内不仅设计、甚至连应用都成为大问题。首先是面对70年代初从日、德、法引进的武钢一米七工程，它包括从加热炉上料一粗轧一七机架连轧一卷区一运输链全线自动化的两级计算机控制的带钢热连轧厂、带计算机控制五机架冷连轧机的冷轧厂、带森吉尔轧机的硅钢厂和带计算机控制的板坯连铸机，如何正常应用与运转，为此冶金部再次成立自动化研究所（主要由冶金建筑研究院安装所、钢铁研究院12室、冶金仪表厂合并组成）, 并以冶金部研究所为骨干并从各方面调集技术人员组成部自动化工作组，进驻武钢并会同武钢和设计院，实行消化掌握计算机及自动化系统、准备投产。与此同时，为很好消化吸收和利用与开发更多的自动化技术，鞍钢、武钢、攀钢、首钢、马钢、重钢等先后成立自动化研究所，与高等学校、设计院、工厂共同构成钢铁工业自动化研究、设计和应用体系，从而使钢铁工业自动化进一步稳步发展。
随着我国对自动化作用认识的深化，党的三中全会确定重点转移、改革开放等一系列政策，大大促进了钢铁工业自动化的发展。此时，钢铁工业自动化进展主要是要求高新建或改建厂矿采用成套或部分引进方法，以及跟踪国外自动化进展国内自行开发。前者如80年代初在上海建设新的宝山钢铁厂，包括设计、主要设备供货以及指导投产全面从日本引进，一期工程包括原料场、烧结、高炉、炼钢、焦化、初轧以及备用电厂，全部采用先进的EIC一体化两级自动化系统，基础白动化中的仪测仪控系统中，除了使用常规模拟式仪表以外还开始使用数字仪表（即后来的 DCS)，如在高炉风口检漏、炉皮温度等多点测量的部位使用了三套数字仪表以及初轧的均热炉控制的TDCS2000型数字仪表，基础自动化中的电气控制器系统则采用了可编程序控制器。基础自动化远比过去系统复杂与完善，可控制更多的工艺参数，而称为增强型基础自动化。原料场、烧结、高炉、转炉、焦炉、初轧。140mm 无缝钢管、能源中心等主要机组均设有过程计算机，进行收集数据、监测、记录、过程管理、通信、设定控制、使用数学模型进行优化控制（如初轧的烧钢预测、高炉热风炉燃烧流量优化设定模型）或操作指导（如高炉的炉热模型），Φ140mm无缝钢管自动化程度更高，设有CIMS系统六级划分的五级，即检测驱动级、设备控制级、过程控制级、生产控制级与无缝
钢管厂管理级的全线全厂自动化系统。引进的宝钢及其自动化系统达到当代世界先进水平。并长期成为我国钢铁工业自动化的主要技术来源，冶金部还为此举行由副部长主持的各有关单位参加的消化会议，并指出国家花了许多钱引进，要一家引进万家受益。宝钢的资料包括数学模型说明书（含全部计算公式）、功能规格书甚至软件程序清单等都比较完全，因而大大促进了我国自动化的发展。催生许多成果，如电力传动方面，晶闸管直流调速发展迅速，国产元件组成系统的可靠性已能满足生产需要，形成了风冷和水冷两种结构，可逆无环流切换时间已缩短3-6ms的先进水平。在天津传动所、冶金部自动化研究所等单位共同努力下，钢铁工业晶闸管直流调速已可代替进口，大功率系统也相继解决。首先冶金部自动化研究所在重庆西南铝加工厂的冷轧机风冷的晶闸管直流调速装置，最大功率已达4200 kw，其后该所虽几经周折，也成功地投产了单机容量达4600 kw、操作条件最严酷频繁可逆转动的长城钢厂825mm初轧机水冷式晶闸管直流调速装置，该所还完成一系列晶闸管直流调速装置包括工期要求极短（仅45天）的取代老旧水银整流器的原东德引进的湘钢 250线材轧机工程等。1979年攀钢自动化研究所等研制成功800kw的动态虚功补偿装置，采用晶闸管，响应速度仅8-10ms，达到国外同类产品的指标。在交流调速方面，除了主流的变频调速外，比较成功的有70年代初的包头设计院和冶金部自动化研究所研制的差动调速传动，并从1979-1984年先后在呼和浩特钢铁厂线材轧机、昆明金属材料厂窄带冷连轧机、首钢红冶钢厂和哈尔滨轧钢厂300小型连轧机上投产，冶金部自动化研究所研制的湘钢活套式拉丝机变频调速系统、线绕型电动机交交变频双馈调速装置也在生产中应用；在检测仪表方面，在长沙矿山研究所、长沙矿冶研究院、长沙矿山设计院、马鞍山矿山研究院、北京矿冶研究院、中南矿冶学院、冶金部自动化研究所等共同努力下开发了从采矿到轧钢一系列特殊检测和仪表，如采矿的炮孔测角测深仪、测震仪、多点边坡位移记录仪等 20 余种仪表，选矿的矿浆浓度仪、矿浆金属成份仪、磨矿返砂量仪、金属探测器等，烧结的料槽料位仪、混合料透气性及水份仪、各式皮带秤、屠厚仪等，炼铁的吹气式静压力测量仪、砌体烧损仪、风口检漏双管电磁流量计和卡门流量计、氯化铿湿度计、风口流量计等，炼钢的消耗式热电偶、定氧定硅探头、副枪测温定碳及其大显示智能仪表等，连铸的各式结晶器钢水液位、结晶器冷却水热量和热功率侧量仪、带峰值铸坯温度单点多点测量仪、铸坯长度测量仪、辊间距测量仪、结晶器锥度测量仪等，轧钢的压磁式（包括环型和实体的）应变电阻式及拉杆式测压仪、各种辊缝仪、测速仪、张力计、活套位置仪、X-射线测厚仪、光电测宽仪、激光测径和测厚仪、光电红外测温仪、炉壁式残氧分析仪等；在自动控制方面也大有进步，如采矿的遥控振动出矿白动控制系统等，选矿方面的给矿量控制、磨矿浓度控制、分级机溢流浓度控制、按
音响控制磨矿机装载量系统、药剂添加控制等，炼钢的以厚膜数字逻辑器件为基础的太钢转炉氧枪副枪自动控制系统、副枪测温探头及整套副枪测温探头更换的机械手等，轧钢的由冶金部自动化研究所和钢铁研究院以及太钢共同协作研制的我国第一台宽带轧机全套液压带钢厚度调节装置、中板轧机液压厚度调节装置等。这个时期的技术特点主要是采用模拟技术经数字控制过渡到计算机控制；在计算应用方面，这时期获得许多经验和教训，经过下列几个阶段：① 自行制造工业控制计算机进行较大规模的控制，如1974年的上钢一厂钢板车间自动化，其1200mm五机架热连轧机自动化如武钢引进的1700热连轧机那样采用计算机控制并从制造计算机开始，冶金部自动化研究所制造仿美国PDP11计算机，由于器件TTL等不过关而不可靠、无故障运行时间短、抗干扰能力差而无法用于工业控制，只有2300mm中板轧机基础自动化的自动轧钢（包括前后工作辊道、延伸辊道和推床的顺序控制以及压下自动控制）由于采用成品的简易可编程控制器控制而获得成功，其过程自动化采用当时国产的JS-10小型机，自行编制小操作系统及应用软件，由于该机规模小、较可靠且只作数据采集、监控以及较简单的数学模型作为操作指导，应用软件规模有限和实时性要求不高而获得成功。与此同时，上海为转炉炼钢终点控制研制的计算机，包头计算机厂为包钢烧结厂研制的计算机也因可靠性不够、无故障运行时间短、抗干扰能力差而无法用于工业控制，此外，还有当时制造的计算机都是裸机，没有操作系统，而编制操作系统技术复杂很难解决；② 经过上述失败经验，且投资限制外汇不易获得，自动化工作者转而使用国内市场可购得廉价的引进单板机自配1/0回路进行单项控制，如冶金部自动化研究所研制的吉林铁合金厂埋弧电炉电极自动压放和功率控制系统、太钢七轧厂八辊可逆冷轧机张力白动控制系统、耀化铝电解节能自动控制系统、首钢自动化研究所研制的300mm小型厂配尺剪切自动控制系统、北京冶金设备自动化研究所研制的北京第三轧钢厂冷轧卷取机张力自动控制系统等，由于引进单板机无论元件和制造都比较可靠，自配接口比较简单，控制系统也规模很小，因而这些系统都获得成功，使用效果显著；③ 使用引进微机角的各种模板组成系统进行单项控制。由于单板机大都是学习机，并非作工业控制用的，而市场上又可购得系列模板，因此考虑用它代替单板机，如冶金部自动化研究所研制的太钢七轧厂八辊可逆冷轧机准确停车白动控制系统、吉林铁合金厂埋弧电炉上料自动控制系统、重钢五厂板坯加热炉白动控制系统（计算机是由重庆工业自动化仪表研究所采用美国Motorola公司生产的模板组成）等；④ 使用引进微机系统、引进或国内组装的 PLC、DCS进行更多功能控制，如鞍钢的使用584PLC的7＃高炉上料自动化系统，首钢的使用美国N-90型DCS的烧结自动化系统，冶金部自动化研究所研制的使用微机系统的广西八一锰矿铁合金埋弧电炉自动控制系统、使用西门子
S5-115UPLC的水钢、攀钢及其它多个厂的高炉上料自动化系统等，由于有了可靠和高性能的硬件而为使用先进控制创造条件。此时开始采用现代控制论理论如状态空间理论来进行控制，如浙江大学与重钢研制的重钢五厂板坯加热炉自动控制系统，模糊控制和专家系统也得到应用； ⑤ 开始使用引进或国内组装的PLC、DCS、过程控制机、网络作为基础自动化和过程自动化的大规模控制系统，如冶金部自动化研究院和钢铁研究院及太钢合作的使用SOLAR小型机的太钢七轧厂八辊可逆冷轧机过程自动化系统、太钢二炼钢使用美国μAX 小型机及西屋公司WDPF的转炉包括过程自动化及基础自动化的两级自动化系统等。
自动化已进入大规模全线自动化的计算机控制，要建设这样的系统首先遇到是设计问题。但由于技术差距大，基本设计、详细设计包括功能规格书编写、应用软件编制与调试不知如何进行，调试试验室也不具备，因此只得通过下列步骤：① 全套引进并派人参加进行设计联络生产学习，如宝钢一期工程等；② 派人参加和在外商指导下进行包括程序编制部分调试等工作，如七五建设的攀钢、唐钢、宣钢等几个中型高炉；③ 国内派人参加并分包（外商付钱）或直接由外商雇用进行软件编程等工作，前者如宝钢二高炉等，后者如宝钢冷热连轧，由西门子公司雇用冶金部自动化研究院人员进行软件编程及以西门子专家名义参加调试；④ 自行作基本设计而详细设计（施工图除外）硬件软件供货与现场调试与投产均由外商负责，如鞍钢170Omm半连轧改造等，以后冷热连轧计算机控制系统以及许多大型或新机组大致都是这一方法； ⑤ 完全国内负责包括基本设计、详细设计软件编制非标硬件设计调试与投产等仅从外商购买国内质量不过关的硬件及个别技术，如包括系统软件的计算机硬件系统、个别仪表和数学模型，如重钢五号1200m3高炉自动化工程等，以后大多数自动化工程都是这一方法。
(2)1988年至现在。1989年我国粗钢产量6158.72万吨，排世界第三，1993 年为8868 万吨，排世界第二，1996为l亿零1百万吨，上升到世界第1位。这段期间，主要是靠扩建、挖潜和改造（包括1985年 9月先后投产的宝钢一期工程，其自动化装备只是70年代末水平，不少计算机还是使用磁心和磁鼓、使用机器语言编程，内存容量不大，如设有复杂数学模型的容量4063 m3 1号高炉的过程计算机仅为80K)，因此给钢铁工业自动化带来极大的发展。这段期间建设厂矿大都以当代最新技术来装备，特别是引进机组。此时新建和改建机组水平不等，因资金限制，有只设基础自动化，有包括过程自动化，其中宝钢最为先进，二期工程（1991年2月结束）包括二高炉、烧结、焦炉和板带热连轧机等，其中二高炉除使用最新计算机外，还引进8个数学模型，西门子供货的板带热连轧机更包括生产控制级和分厂管理级的五级系统，2030mm板带冷连轧机也是类似系统。其三期工程，包括容量4350m，3号高炉、烧结、焦炉、二炼钢（250吨转炉两个，1450mm板坯连铸两台）、三炼钢（电炉两个，圆方坯连铸）、1580mm板带热连轧机、1550mm和1420mm板带冷连轧、高速线材等，其自动化系统分为两个层次，第一层次为工厂或车间包括基础自动化、过程自动化和管理自动化，第二层次为为公司信息管理层，各工厂的多级自动化系统通过全公司光纤主干网与公司管理计算机相连。其他厂矿的自动化工程大都自行设计只引进不过关装备或先进技术如太钢新建的4063m，高炉及烧结，除计算机系统引进外，还从奥钢联引进高炉专家系统及烧结机速模型等。
在此期间，主要技术特点是以高新技术为核心，包括：多级管控一体化计算机系统开始大规模应用，管理自动化发展迅速，过程优化数学模型与先进控制、智能控制也得到重视，除了引进外，国内也研制和推广国产系统，如电力传动方面，已进入交流变频调速时代，除了由于国内不生产的新一代可关断的IGBT、IGCT等器件的新型交流变频调速装置以外，以国产的晶闸管组成的交直流变流器基本全部可国内供货，而且以国产的晶闸管组成的交交变频装置容量对轧机已完全可满足，而且技术上有突破。使用进口电力电子器件组成新一代的交流变频调速也已研制成功，如冶金自动化研究设计院在863项目支持下，研制成功7500KW的IGCT变流器，完成了3600KW同步电机的工业试验。并研发电子控制器。自动控制方面，除了使用经典控制理论组成系统外，模糊控制得到更多应用，特别是热工过程的机组如烧结、高炉、加热炉等，专家系统如高炉除了从芬兰和奥钢联引进多套外，国内也分别在首钢、马钢、石钢、济钢、邯钢等研制成功高炉冶炼专家系统；在检测仪表方面，已进入使用新技术，如超声波、激光、微波等，甚至使用人造卫星技术（如宝钢引进的铁水运输动态监测车辆定位），同样，除引进外国内也研制了多种特殊仪表，如高炉微波料面高度计、热轧钢带板形仪等，填补了国内空白。
四、对策与建议
综上所述，我国钢铁工业自动化的发展最大差距是严重依赖从国外引进，今后任务和对策是：加强消化吸收和跟踪国外先进技术、自主开发和国内生产自动化技术和装备、逐步减少对引进技术的依赖，为此需要首先要解决认识问题，再则着重解决两大问题：
(l)要解决认识问题。首先是与我国作为大国和如此大的钢铁产量以及自动化需求量严重不相称，据调查，对国外技术依赖程度，日本只6.6%，美国仅为1.6%，韩国也不过22%，而我国则超过50%，虽然当今全球化时代，不要保护主义，也需要从国外引进，但不能依赖程度如此之大；其次，自动化装备更是重大商机，如一台一般配置加热炉仅PLC需30多万元人民币、一台中型高炉(1000m3)200多万元、一台150吨炉200多万元、一条小型棒材
生产线100多万元，从芬兰引进高炉专家系统一套，仅软件就超过80万美元；对于大型轧钢工程则更惊人，如攀钢1450带钢热连轧自动化工程，从意大利全套引进1500万美元（其中硬件包括仪表、PLC、网络及过程计算机500万美元、软件及数学模型800万美元、人员费用200万美元），如果国内供货，则只需2000万人民币（其中硬件包括仪表、PLC、网络及过程计算机从国外引进只需1100万人民币、软件及数学模型900万人民币）。目前钢铁公司在资金允许时，特别是重大大型机组大都希望引进，主要原因之一是引进装备可靠、事故少，此外，许多国产设备质量不过关，不仅性能有差距，可靠性差，而且价格也不便宜，索赔制度也不完善，影响生产或开工日期，制造商、研究开发部门也有苦衷，面对这多方面原因，需要国家出面才能解决，需要有鼓励政策和实际措施。
(2)为了解决自动化的基础装备，即包括PLC、DCS、网络、过程计算机、大规模集成电路、电力电子器件等生产，要组织电气集团公司。生产高性能PLC国内也曾试过多种方法，如在大连某制造厂引进西门子S5-115型PLC技术进行生产，但西门子一方面把过时的S5-115型 PLC技术出售，一方面又推出更新型的PLC，当然，应用企业就希望使用性能更佳的PLS，而使国产PLC在竞争中失败。国内也曾尝试自行开发，如冶金部自动化研究所曾力图以自己力量开发PLC，但遇到S5系列 PLC中有一个1500门阵列的大规模集成电路在经费问题无法自行解决而停止，国家也曾组织DCS和高速网络的攻关，但各研究院所因当时政策是鼓励创收的压力，经费不足，试制的DJK型DCS从性能、价格和性能／价格很难满足钢铁工业要求。在电力传动方面，电力电子器件生产，其中晶闸管已能生产了中100mm晶闸管，但要研制如IGBT、IGCT等电力电子器件，就需要更多投入，一般单位很难达到。纵观国外大都是电气集团公司的组织形式，如德国西门子、法国阿尔斯通、瑞典 ABB、美国GE由前两者创收，然后按利润提一定百分比作为研究部门的研发经费，开发更多新技术、新产品，使公司在激烈市场竞争中立于不败之地，由于这些公司规模大、利润多，因而研发经费，足以支持开发更多的先进产品，反观国内电气自动化公司越来越多，分出来也越来越多，原因是自动化系统或电力传动调速系统，经济效益大，如一个机组的自动化工程仅硬件、应用软件成套供货及调试投产，往往需数百万元，一套传动调速系统也百万至上千万，而自动化工程设计并非难事，设计方法、软件编制、调试等已越来越多人掌握并非难事，电力传动调速系统设计主回路，外购电子控制器和电力电子器件，然后组装、调试等，也已越来越多人掌握，办个组装车间也非难事。但这样一来人力就分散，难以有高水平，基础工作如 PLC、数字传动用的电子控制器和电力电子器件却很少人研发和生产。总结国内外经验，只能由国家大力组织象西门子等公司类似的大型的电气集团公司，才足以有此财
力和人力解决上述为题。当然除大型电气集团公司外不排除还有一些较小或专业公司和独立的研究院所，德国、日本等均如是。此外，参照国外和国内情况，业务划分、生产范围也有多种选择，德国西门子、瑞典ABB、美国GE、日本日立、日本三菱等公司生产几乎全部的高低压电气装备、PLC、DCS、过程计算机及仪器仪表，而美国GE等公司虽也曾生产过程计算机但很快就放弃了，原因是认为无法超过DEC公司，在我国，已是世界知名的计算机公司了，联想公司生产过程计算机应是轻而易举。
(3)没有研究开发便没有新技术来源，只能依赖引进，为此应加强研发工作，并需要有适当的组织机构、方式以及相应的政策。美、日、德等发达国家新型自动化和电力装备的研发主要由电气集团公司内部进行（对于最新的、方向性的也和独立的研究院所、高校合作，专业性强的也往往由工厂先研发后转移，如日本测量高炉砌体烧损的TDR法及装置先由住友金属公司开发使用再由横河电机公司生产，测量高炉料面温度装置则由新日铁公司与NEC公司合作开发），而自动控制系统也大致如是，而数学模型因太专业而复杂得多，如德国西门子公司自行开发轧钢数学模型，但冶炼方面的数学模型则是钢铁公司或专业公司开发的，美、日也如此，如宝钢一期工程从日本引进的焦炉的数学模型是由新日铁公司提供、三期工程是由日本关西化学公司提供，酒钢焦炉的加热模型是从德国OTTO公司引进的。在奥地利则奥钢联提供从烧结开始包括炼铁、炼钢、轧钢以至能源的自动化系统、质量系统、全厂管理系统以及数学模型等技术，但自动化装备硬件则是外购而组成系统，法国还有钢铁研究院(IRSID)，比利时也有冶金研究院(CRM)也进行数学模型研究，如高炉的炉热模型就是IRSID发表的，以后日本等也基本参考其思路。
参照国外和国内情况，由于国内最近在国资委下已组成钢研集团公司（包括钢铁研究总院和治金自动化研究设计、日本日立、日本三菱等公司，这些公司都是有产品制造、产品应用工程和精干的研究部门，院），似乎可以以此为基础遵照奥钢联形式并和各钢铁设计院、高校协作发展下去，工厂是一支主要力量，日本钢铁公司大都设技术中心，内设钢铁、设备、自动化研究所作为主力，我国宝钢等钢铁公司也大致如是，大都以强大的钢铁生产及巨大的利润为后盾，拨有充足经费，研究所专研究只考核研究成绩，没有上交利润任务，这是值得参考的。
组织形式决定后，还需有一系列政策和要注意的问题，为此建议：① 上级对所属单位考核方法要改进。它是足以影响其方向和发展的，对于冠以研究的单位，应看研究成果，过去我国制定的科学14条虽然时代变化，但其“出成果、出人材是根本任务”，不仅过去起了很大作用，而且今天仍是核心，不过要补充，应加上成果转化率及效益； ② 国家要提高科
研投入。其实国家投人不少，也有专家评审委员会，问题是投人分散、目标（包括形成生产力）与要求以及经费使用尚需改进，最好采用招标制度，看效果而不是仅看单位名气； ③ 高级技术职称和称号（包括两院院士）应主要授予从事该工作的人员，不要终身制，工作调动到其他岗位（如升迁到管理部门等），应只作为经历不再保留，由其他人重新补缺； ④ 要提高技术人员待遇、地位和使用方式，要改变过分重视行政级别的情况。在国外教授地位和待遇高无后顾之忧，教课后就可一头扎进试验室进行研究，因此国外甚至包括无论从大陆或香港到国外的中国人有获得洛贝尔奖的、菲德尔奖或其他最高技术荣誉或奖的，而在国内至今还没有获得洛贝尔奖的；原因之一是我们活动多，其他时间消耗多，人的精力有限，因此很难有惊人创造； ⑤ 研究队伍要稳定，研究目标要有稳定性。以日本富士公司、日立公司对专家系统等人工智能开发工具研究为例，其研究所有一个约十人研究组，研制出的专家系统开发工具，一代一代改进，不断推出新型号新产品，而国内到现在还没有一个国产的类似高性能的商品化产品，而使很多部门不得不高价进口（如某公司以8 万美元购买专家系统开发工具），而国内或者仅由博士生或硕士生作为生产实践或论文进行，或者虽由科研人员进行，但达到某一目标又改作其他专题等等原因而难以获得能与外国同类产品相比。此外，对于高水平的成果与产品还需加大力量。参考文献：
[l] 李崇坚．大功率电力电子技术在钢铁工业中的应用[J]变频器世界，2007(1):4-5.[2] 孙彦广冶金自动化技术现状和发展趋势[J]．冶金自动化，2004, 28(1):1~5.[3] 马竹梧信息化、自动化的进展与钢铁工业自动化[J]冶金自动化，2003,27(增刊):5-16。
第三篇：材料成型及控制工程与自动化技术的应用
材料成型及控制工程与自动化技术的应用
材料成型及控制工程有四个方向：焊接、铸造、热处理、锻压。随着科学技术的发展材料成型也变得越来越机械化和自动化。当今制造技术的主要发展趋势是：制造技术向着自动化、集成化和智能化的方向发展。
焊接：近20年来，随着数字化，自动化，计算机，机械设计技术的发展，以及对焊接质量的高度重视，自动焊接已发展成为一种先进的制造技术，自动焊接设备在各工业的应用中所发挥的作用越来越大，应用范围正在迅速扩大。在现代工业生产中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构制造工业现代化发展的必然趋势。焊接采用加热和加压或其他方法使热塑性塑料制品的两个或多个表面熔合成为一个整体的方法。自动化采用具有自动控制，能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表，按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。自动化程度已成为衡量现代国家科学技术和经济发展水平的重要标志之一。现代自动化技术主要依靠计算机控制技术来实现。焊接生产自动化是焊接结构生产技术发展的方向。现代焊接自动化技术将在高性能的微机波控焊接电源基础上发展智能化焊接设备，在现有的焊接机器人基础上发展柔性焊接工作站和焊接生产线，最终实现焊接计算机集成制造系统CIMS。
在焊接设备中发展应用微机自动化控制技术，如数控焊接电源、智能焊机、全自动专用焊机和柔性焊接机器人工作站。微机控制系统在各种自动焊接与切割设备中的作用不仅是控制各项焊接参数，而且必须能够自动协调成套焊接设备各组成部分的动作，实现无人操作，即实现焊接生产数控化、自动化与智能化。微机控制焊接电源已成为自动化专用焊机的主体和智能焊接设备的基础。如微机控制的晶闸管弧焊电源、晶体管弧焊电源、逆变弧焊电源、多功能弧焊电源、脉冲弧焊电源等。微机控制的IGBT式逆变焊接电源，是实现智能化控制的理想设备。数控式的专用焊机大多为自动TIG焊机，如全自动管/管TIG焊机、全自动管/板TIG焊机、自动TIG焊接机床等。在焊接生产中经常需要根据焊件特点设计与制造自动化的焊接工艺装备，如焊接机床、焊接中心、焊接生产线等自制的成套焊接设备，大多可采用通用的焊接电源、自动焊机头、送丝机构、焊车等设备组合，并由一个可编程的微机控制系统将其统一协调成一个整体。
铸造：熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸、成分、组织和性能铸件的成形方法。铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是指将室温中为液态但不久后将固化的物质倒入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属（例：铜、铁、铝、锡、铅等），而铸模的材料可以是沙、金属甚至陶瓷。因应不同要求，使用的方法也会有所不同。随着科技技术的发展国内的铸造技术也飞速发展近年开发推广了一些先进熔炼设备，提高了金属液温度和综合质量，开始引进AOD、VOD等精炼设备和技术，提高了高级合金铸钢的内在质量。直读光谱仪和热分析仪，炉前有效控制了金属液成分，采用超声波等检测方法控制铸件质量。一些大中型铸造企业开始在熔炼方面用计算机技术，控制金属液成分、温度及生产率等。成都科技大学研制成砂处理在线控制系统，清华大学等开发了计算机辅助砂型控制系统软件，华中科技大学成功开发商品化铸造CAE软件。铸造业互联网发展快速，部分铸造企业网上电子商务活动活跃，如一些铸造模具厂实现了异地设计和远程制造。
铸造专家系统研究虽然起步晚，但进步快。先后推出了型砂质量管理专家系统、铸造缺陷分析专家系统、自硬砂质量分析专家系统、压铸工艺参数设计及缺陷诊断专家系统等。机械手、机器人在落砂、铸件清理、压铸及熔模铸造生产中开始应用。精确成形技术和近精确成形技术，大力发展可视化铸造技术，推动铸造过程数值模拟技术CAE向集成、虚拟、智能、实用化发展；基于特征化造型的铸造CAD系统将是铸造企业实现现代化生产工艺设计的基础和前提，新一代铸造CAD系统应是一个集模拟分析、专家系统、人工智能于一体的集成化系统。采用模块化体系和统一数据结构，且与CAM／CAPP?ERP／RPM等无缝集成；促使铸造工装的现代化水平进一步提高，全面展开CAD／CAM／CAE／RPM、反求工程、并行工程、远程设计与制造、计算机检测与控制系统的集成化、智能化与在线运行，催发传统铸造业的革命性进步。
锻压是锻造和冲压的合称，是利用锻压机械的锤头、砧块、冲头或通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的成形加工方法。“锻压”作为金属加工的主要方法和手段之一，在国民经济中占有举足轻重的地位，是装备制造业，特别是机械、汽车行业，以及军工、航空航天工业中的不可或缺的主要加工工艺。随着经济结构调整的不断深化，作为支柱产业的汽车制造业的大发展，为我国的锻压行业发展营造了一个非常好的机会。近几年在设备制造技术和加工技术上都取得很大的进展，行业的竞争力得到提升，某些技术水平已进入世界先进行列。
但随着中国汽车工业的快速发展，国产锻造设备存在的不足日益凸显。其中，拥有中国自己产权的通用锻压设备多处于较低的水平，目前锻压设备发展趋势是集机械、电子、液压、气动及检测等方面的最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。近年来又发展了数控系统，能和电子计算机、工业机器人、自动换模系统及自动仓库等相结合，构成多种系列的柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS），并向电子计算机集成制造系统（CIMS）的方向逼近。
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。在热处理过程中对温度的检测和记录非常的重要，温度控制的不好对产品的影响十分的大，所以温度的检测十分的重要，在整个过程的温度的变化趋势也显得十分的重要，导致在热处理的过程中必须对温度的变化进行记录，可以方便以后进行数据分析，也可以查看到底是哪段时间温度没有达到要求。这样对以后的热处理进行改进起到非常大的作用实现一定程度上的自动化。
日前，中钢邢机通过对热处理炉群的自动化控制系统进行创新改进，在所属异型公司成功完成单台炉体单机控制向整个炉群单机管控的“集中化”转变，实现企业炉群自动化控制的新突破。“集中化”管控就是由单台主机整体集中完成整个炉群的自动化控制工作，通过建立热处理炉群自动化控制的独立整体管控网络，改变每台热处理炉都有一台主机主控的传统模式。企业探索实施“热处理炉群控制集中化管理”，最初是基于对企业扩能上量后热处理炉数量增多、生产用电不易调配问题的解决。经过在异型公司试点进行实际改造实施后，使热处理炉群能够结合排产计划，对照峰谷用电时间段，实现对每台热处理炉作业的自动程序化科学调控，从而大大降低了作业用电成本。同时使企业设备管理更趋便捷科学，运行效率明显提升，目前每班只需2人即可完成17台热处理炉的日常作业管理。为了使工件在生产线上自如地完成整个所要求的热处理工艺过程，被特定设计的连续炉相互连接沟通。炉膛内可多方位贯通，并可使工件料筐90℃角转入下道加热区或过渡保温箱，经传送抵达下一工序或进入冷却室冷却。这种炉体结构和传送装置都具有相当高的水平。以可控气氛箱式炉为例，为满足渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、淬火或光亮淬火、等温淬火等热处理工艺的实施，料盘和料架上的工件以冷链驱动的方式自动送入、通过和送出炉膛，在各自的炉子中完成所要求的工艺。箱式炉与相应的计算机辅助测量、控制与调节系统连用，形成各个独立的模块单元，易于相互连接，构成完善、灵活、组合式自动热处理系统。
电子计算机在热处理中的应用，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助生产(CAM)、计算机辅助选材(CAMS)、热处理事务办公自动化(OA)、热处理数据库和专家系统等，它为热处理工艺的优化设计、工艺过程的自动控制、质量检测与统计分析等，提供了先进的工具和手段。计算机在热处理中的应用，最初主要用于热处理工艺程序和工艺参数(温度、时间、气氛、压力、流量等)的控制，现在也用于热处理设备、生产线和热处理车间的自动控制和生产管理，还有的用计算机进行热处理工艺、热处理设备、热处理车间设计中的各种计算和优化设计。在热处理中引入计算机，可实现热处理生产的自动化，保证热处理工艺的稳定性和产品质量的再现性，并使热处理设备向高效、低成本、柔性化和智能化的方向发展。计算机在热处理中的应用国外已十分普遍，例如，日本一家摩托车厂的热处理车间，有连续式渗碳炉、周期式渗碳炉、连续软氮化炉等共37台设备，从开始送料，到最终产品检验，全部由计算机控制，每班只需要三个人操作，一人在计算机室内负责全部生产、技术和质量管理，一人在现场巡回检查，一人负责产品质量检验，生产效率极高。我国在热处理行业中应用计算机还是近十多年的事情，目前国内研制生产的热处设备已越来越多地引入了微机控制，极大地提高了设备的自动化水平和生产效率。在热处理工艺过程的实时控制、计算机辅助设计、计算机模拟和数学模型的开发应用等方面，也取得了一定的成绩。
机器人在热处理中的应用，可以有效地改善工人的劳动条件，提高产品质量和劳动生产率。目前主要是用来进行自动装卸料。由于热处理的生产环境差、劳动强度较大，也由于热处理生产向自动化、集成化、柔性化的方向发展，因此，今后机器人在热处理生产中的应用将日趋增多。
第四篇：冶金钢铁工业耐火材料的应用与发展
冶金钢铁工业耐火材料的应用与发展
冶金08—4孟庆航
摘要：耐火材料作为高温窑炉筑炉材料，每年消耗量极大，其中冶金用量占耐火材料总用量的六成到七成。因此，耐火材料工业的发展与钢铁工业的发展息息相关：本文对耐火材料与钢铁工业的相关性进行了定性与定量分析，并对其回 收与利用，与钢铁的发展做了适当的分析。
关键词：耐火材料 冶金 应用 发展 回收
Abstract: refractory material as high temperature kiln furnace building materials, annual consumption greatly, which accounted for refractories Metallurgical amount total amount of six to 70%.Therefore, the development of refractory material industry and the development of iron and steel industry are closely related : the refractory material and steel industry for the relevance of the qualitative and quantitative analysis, and on its back Collection and utilization of iron and steel, and to the development of the appropriate analysis.Key words: Refractory material
Metallurgy
Application Development Recycling
耐火材料作为高温窑炉筑炉材料，主要用于冶金、化工、建材等工业部门，其中黑色冶金用量占耐火材料总用量的6 0％～7 0％，因此，耐火材料工业的发展与钢铁工业的发展息息相关。提高钢铁材料的综合性能，延长其使用寿命，是今后钢铁材料发展的主要方向之一；提高纯净钢冶炼技术是达到此目标的重要途径；合理选择和正确使用优质的耐火材料是冶炼纯净钢的重要保证。
根据笔者的研究可知，从二者的产量看出二者有很相似的演变规律：当钢产量增加或减少时，耐火材料产量也随之增加或减少；且基本同时达到峰值或谷值说明了二者之间有着较明显的相关性。钢铁的稳不稳定有很大的关系，这影响着耐火材料的应用和发展。钢铁行业稳定时，耐火材料行业稳定，发展迅猛。当钢铁行业不稳定时，经济萧条不景气，相应的耐火材料行业也随之下滑，甚至出现负增长。
炼铁技术发展的重点是提高高炉的喷煤量，同时要求高炉、热风炉的寿命要长(高炉寿命大于12年，部分达到15年)，热风炉的风温要高(平均高于1100℃，大型高炉的风温达到1200℃)。为满足这一需要，相应安排了高炉用陶瓷杯、高炉热态喷补料、高通铁量铁沟浇注料、热风炉用低蠕变砖等研究开发项目。研制出刚玉莫来石大型预制块，用在某大型高炉的炉缸，经几年的应用，证明效果很好，铁水的温度提高了10—15度，目前已有多座大型高炉的炉缸采用了这种材质的“陶瓷杯”结构。用s结合刚玉制作“陶瓷杯”工作取得进展，采用氮化烧结法合成出了性能优异的结合刚玉样块。研制的高炉喷补料，在高炉热态状况下进行喷补．可提高高炉寿命。
随着时间的发展，耐火材料有很多的发展。20 世纪50 年代后期，我国炼钢连铸开始进入工业化生产阶段。中间包内衬耐火材料使用黏土砖或高铝砖砌筑，由于当时连铸生产刚起步，连铸的钢种多为普通钢，中间包只是作为钢水的周转容器，中间包内衬的工作条件不是太恶劣，使用寿命为连浇5～12 炉，满足了当时连铸生产的需要。2.1.2 铝硅质浇注料 在砖砌中间包工作衬之后，我国又发展了浇注料浇注中间包工作衬，有些钢铁厂的中间包工作衬用Al2O3含量60%～80%左右的铝硅质。采用浇注料浇注的中间包工作衬，整体性能好，机械强度高；对于局部损毁严重部位可进行修补，因此，使用寿命长。20 世纪70 年代中期，洛阳耐火材料研究所与武钢耐火材料厂合作，在剖析国外产品的基础上，研制出了镁铬质中间包涂料。先后在上钢一厂和武钢试用，在上钢一厂连浇148 min；在武钢连浇111 min，通钢量 210 t。使用效果优于武钢从西德进口的同类产品，又在其他钢铁厂推广应用。所研制的镁铬质中间包涂料以烧结镁砂和铬矿为主要原料，以三聚磷酸钠作结合剂，添加适量的软质黏土、消石灰和纤维材料等配制而成。上世纪80 年代初，开发出了硅质绝热板，并在全国推广应用，取得了良好的效果。在上世纪80 年代后期和90 年代，硅质绝热板已经成为我国中间包工作衬要的耐火材料之一，如武钢二炼钢1985 年实现了中间包工作衬绝热板化。硅质绝热板的使用寿命因各厂家使用条件不同有一定差别，如首钢、武钢4～6 炉，上海钢7～10 炉，河南安钢8～13 炉等。生产实践证明，硅质绝热板与之前的镁铬质涂料和砖砌中间包工作衬相比，有以下优点：1）不需要烘烤，可冷包开浇。节约了时间，节省了燃料。2）硅质绝热板热导率低，保温效果好。
为了适应现代化大型高炉上一系列苛刻的操作条件，除了在设计、施工、设备质量操作技术等方蕊精益求，还必须针对亮炉冶炼条件选用应静耐火材料，预期达到长海高产的目的。1妒感、炉缸耐火材料炉膳、炉缸承受高温、渣铁冲刷侵蚀和渗透作用，工作条件十分恶劣。炉缸，破坏盼程瘦是决定高炉使用寿命的关键因素。
高炉出铁沟的工作层主要采用氧化铝、碳化硅、碳素组成的材料。数百立方米容积的小型高炉，每次出铁量少，散热快，单铁口出铁，清除残余渣铁较困难；一般采用非储铁式主沟，多采用免烘烤捣打料，施工简单，使用寿命较短，几天或十多天就需清沟重新铺沟。这类材料一般用树脂结合，在成型使用过程中产生有害气体较多，恶化了作业环境。中型、大型高炉一般有2～4个铁口，采用储铁式主沟主出铁沟多用的是Al。O。-Si-C质浇注料，按照施工方式可分为自流浇注料、快干浇注料等类型；按照结合系统，除水泥结合浇注料外，最近也多有溶胶结合、氮化物结合浇注料的报道；水泥结合浇注料中温强度有降低，其中碳素抗氧化的效果较差，使用寿命一次通铁量在8～12万t，高炉容积越大，顶压力大，铁水的出铁冲击力也大，对沟衬的冲刷和磨损也增加。武钢开发的溶胶结合浇注料为自洁净结合浇注料，不采用水泥结合，温度增加，抗压强度提高，不存在中温区强度损失，抗氧化性能好，自流型浇注料的通铁量可达到15万t；而快干型的浇注料成型后1 h即可脱模，快速烘烤2～3 h即可投入使用，在2 200 m3高炉主沟使用，经过1～2次修后通铁量可达到20万t。氮化物结合的主沟料有研究报道。
使用的耐火材料寿命达到国外九十年代中、后期先进水平，满足高温工业新技术发 展需要；使我国在国际上从耐火资源优势变为制品优势，为国民经济发展贡献出耐火材料工业应有贡献。(1)根据我国资源特点，为适应我国钢铁等高温工业技术多层次的需要，研究开发出具有我国特色的高性能耐火材料品种系列并进行产业化研究。(2)跟踪国外科技发展的新动向，结合我国资源特点，开展耐火材料学科前沿科技研究和应用基础理论研究，形成具有自主知识产权的耐火材料系列技术，推动我国耐火材料工业的技术创新。(3)以冶金、建材、轻工、化工等高温工业新技术、新工艺所急需的优质高技术耐火材料品种的研制、开发与应用为龙头，开展产、学 “一条龙”科技攻关。随着吨钢耐火材料消耗在下降，钢铁工业耐火材料消耗比重变化不大，占不到5 0％。主要是因为同时其它高温窑炉业对耐火材料的消耗也在下降，所以钢铁工业消耗比重并没有随着单耗的下降而下降，而是基本上保 持在与消耗比重同步发展的水平上。因此，耐火材料与钢铁的一直保持较强的相关性。说明：虽然耐火材料的主要消费大户钢铁工业对其的消耗在下降，但以近5 0％的消耗比重来看，钢铁工业的主要消费大户，耐火材料工业将仍主要受钢铁工业发展的制约和影响，应紧跟钢铁工业的技术发展步伐。
现在耐火材料的回收利用现在比过去任何时候的意义都更加重大。在积极鼓励回收各种制品的政策气候下，需要技术与工艺能满足日益加强的环境保护法规的要求。随着经济的飞速发展，这种影响力也日益全球化。因此，也迫使人们采取行动并予以厚望。
国外对冶金废弃耐火材料的综合利用都很重视，发达国家很早就对冶金废弃耐火材料的开发利用进行了深入的研究并取得了丰硕的成果。欧洲[目前利用废弃耐火材料量为人1.2kg，有82％的废旧耐火材料已经得到利用；日本钢铁工业用后的耐火材料主要用作造渣剂和型砂的替代物；新日铁开发出用废料生产连铸用出水口的生产方法；鹿岛钢铁厂研究了滑板的再利用工艺，使修复后的滑板使用寿命与新滑板一样；大同制钢公司废旧耐火材料的利用率达到58％，加拿大MCALPINE工厂、阿尔及利亚耐火材料公司及伊朗科技大学等机构几年来一直在进行回收利用废旧耐火材料及其课题研究工作。到目前为止，实际回收滑板的损毁主要集中在滑板孔及其附近的工作层，这些滑板只需在滑板孔区域处钻开，用浇注料浇注复原的方法和圆环镶嵌法并抛光工作层进行修复滑板，取得了成功。使修复后的滑板的使用寿命与新滑板一样。
我国钢铁冶金工业每年消耗耐火材料约800 万t，用后耐材达300 万t 以上[1]。近年来，随着我国环保政策的贯彻实施和耐火材料市场竞争的日益激烈，钢铁企业的降本增效以及人民群众不断增强的节约资源和改善环境的意识，因此，国内对用后废弃耐火材料的综合利用产生了高度的重视。宝钢综合开发公司专门从事宝钢废弃材料的回收利用已多年，并于2002年11月在宝山投产了国内第一家废弃耐火材料综合回收利用的工厂，能够处理宝钢多种废弃的耐火材料，目前每年回收宝钢废弃的耐火材料达10万t以上。一种是以转炉和钢包渣线用后镁炭砖为原料，经过拣选、除去表面夹杂、渣和氧化层、水化等处理后，进行镁炭砖再生。按最致密堆积的颗粒组成设计，添加3％特殊符合添加剂，外加热固性酚醛树脂结合剂3％～4％，进行配料，1000t摩擦压砖机成型。200℃烘烤，可得再生产的镁炭砖。另一种是废水玻璃结合铝镁浇注料回收后，以颗粒形式按20％的比例加入到原浇注料中，不影响原浇注料的使用性能，一年的使用结果表明，全年平均包龄达到了97.3 炉，比上一年不加废浇注料颗粒的包衬平均寿命还高3 炉；但以细粉形式按10％比例加入到浇注料中，会恶化原浇注料的性能指标，不宜作为浇注料的基质来使用。用10mm 筛下的废钢包浇注料的统料作为水玻璃结合的铝镁浇注料，用于中间包永久层代替原来的高铝砖，使用寿命达60炉次左右，比用高铝砖砌筑的永久层寿命增加约40炉次，使用效果良好。
参考文献： ［1］ 田守信，姚金甫，严永亮.超轻质镁质中间包涂料的研制与应
用［J］.耐火材料，2002，36（4）:218-220.［2］田守信.用后耐火材料的再生利用.耐火材料，2002，36（6）：339～341 ［3］王亮 译.钢包用铝尖晶石砖的蚀损机理.国外耐火材料，1997（4）：56 ［4］宋素格，王新志，王三忠，陈从虎 现代高效连铸用耐火材料的选择及应用[期刊论文]-中国冶金2008（12）
第五篇：我国农作物秸秆综合利用现状及其技术进展
我国农作物秸秆综合利用现状及其技术进展
发布时间：2013/6/7 10:55:58 浏览量：1211 【字体：大 中 小】
我国秸秆资源丰富,但胡乱丢弃、无控焚烧、直接还田和加工粗饲料等传统的处理方式存在着“三低一重”的缺点,即秸秆利用率低、转化率低、经济效益低、环境污染严重。介绍了秸秆综合利用技术的最新进展,包括腐熟还田技术、饲料转化技术、能源化技术及秸秆在工业上的各种应用。认为农作物秸秆的综合利用是保护生态环境、节约可再生资源的需要,也是缓解农村饲料、肥料、燃料和工业原料的紧张状况、促进农业可持续发展的要求。1 秸秆还田技术
利用多种形式的秸秆还田(表1),不仅可增加土壤有机质和速效养分含量,培肥地力,缓解氮、磷、钾肥比例失调的矛盾;调节土壤物理性能,改造中低产田;形成土壤有机质覆盖,抗旱保墒;还可以增加作物产量,优化农田生态环境。2 秸秆利用现状及存在的问题
近年我国粮食产区田间焚烧秸秆,污染环境,威胁飞机起降,影响车辆行驶,已成为一大社会问题。为此国家有关部门做了大量的工作,加大研究各种秸秆综合利用技术[5],建设各种秸秆利用示范工程,并采取禁烧秸秆管理措施,加大执法力度,虽取得一些成效,但目前焚烧秸秆行为仍很严重。目前存在的秸秆问题一是废弃量逐年增加,据2000年统计资料表明全国年产农作物秸秆量为6.48亿吨,其中以玉米、小麦和稻谷秸秆为主,占总秸秆产量的80%。每年秸秆用于造肥、机械还田和用作饲料、工业原料及种植基料等总消耗量为2.96亿吨,占总秸秆产量的45.7%,其余54.3%(3.52亿吨)用于燃料或被废弃,且其中用于燃料的秸秆量将逐年减少,而废弃量逐年增加。二是区域不均衡,秸秆年产量最多为华东地区(1.85亿吨),其次为华南地区(1.47亿吨)、东北地区(1亿吨)、华北地区(0.91亿吨)、西南地区(0.79亿吨)、西北地区(0.46亿吨);而山东、河南、四川、河北、黑龙江、江苏、吉林、安徽、湖北和湖南省10省秸秆产生量最多,其中河南、河北和山东省焚烧秸秆污染问题最突出。三是时间不均衡,焚烧秸秆发生在收获期与下次播种期之间,时间短,处理量大,有的地方必须在几天内“处理”掉秸秆,满山遍野秸秆只有付之一炬。四是焚烧秸秆地区经济较发达,农民生活水平较高,宁肯买液化气也不愿用秸秆做燃料,而城乡结合部和农村规划小区秸秆废弃问题尤为严重。
就其物质属性而言,秸秆利用可归纳为燃料、饲料、肥料、基料和原材料“五料”。一是秸秆用作畜牧优质饲料。机械设备可以归纳为颗粒机，秸秆颗粒机，秸秆压块机，饲料颗粒机，秸秆粉碎机等随着我国肉、奶制品生产量的增加,对秸秆消耗量也在不断增加,目前秸秆消耗量占总秸秆量的27%左右。二是秸秆用作基料。目前主要用于食用菌栽培和无土栽培,也有用于养殖蚯蚓等,其秸秆消耗量很少。三是秸秆用作原料。主要用于造纸,少量用于制帘栅、餐盒、包装板、隔音板、保温材料、人造炭和糠醛原料等,总消耗量占秸秆总量的3%左右。四是秸秆用作肥料。过去主要是与禽畜粪便一同发酵为有机肥。广泛利用化肥后,这种传统沤肥逐渐减少。近年来秸秆大量过剩的地区实行秸秆机械化还田(粉碎撒于田间),其秸秆消耗量占总秸秆量的15%左右。而秸秆还田技术中最理想的是“秸秆消化”技术,即植物秸秆返回土壤中,在微生物作用下又生成水、一氧化碳、矿物质形成良性循环。但秸秆还田也有很大局限性,我国人多地少,耕地不能实行轮作休耕制,连续耕种,将未发酵腐烂的干枯秸秆埋于农田中非但起不到肥田作用,反而影响作物出苗率,实际应用中秸秆机械化还田在很多地方已被放弃。五是秸秆用作燃料,目前全国广大农村仍主要用秸秆作燃料。国内频频出现“秸秆焚烧问题”后,有关部门试图采取生物能转化技术以提高燃料质量,进而提高使用秸秆作燃料的积极性。
自“七五”开始国家有关部门加大了这方面的工作力度,相继建立了几百个秸秆气化示范点。其工艺路线有3种。一是空气氧化气化法,即将秸秆在气化炉中不完全燃烧,获得以一氧化碳为主的低热值可燃气,供农民生活用气;二是干馏热解法,即将秸秆在热解炉中进行隔绝空气干馏,获得以CH4,H2为主的中热值可燃气,供农民生活用气,同时获得人造木炭和木焦油等工业产品;三是气化发电法,即将秸秆气化获得可燃气,再通过燃气发电机发电。秸秆气化技术是一种很好的生物质能转化技术[6],为“消化”秸秆的好方法,但目前农村建设供100～200户管道燃气的秸秆气化系统存在很多问题。一是用秸秆制造燃气和用煤制造煤气其技术本质没有区别,某个城市能否建设煤气供应系统不是取决于是否有原料,而是取决于该城市的经济发展和财政收入状况及市民文化物质水平的高低等因素[7],而农村建设人工燃气管道供应系统也未尝不是这些因素所决定的。目前我国农村仍属低水平、不全面的小康型,有些地区尚未达到温饱型,故在相当长的历史时期内居住分散、生活水平较低的农村不可能大面积推广管道化秸秆气化工程,况且目前我国很多中小城市尚未普及管道燃气。经过对许多农村的调查表明,农民保证吃、穿后,随着其收入的提高,希望改善生活条件的顺序依次为房屋、电、自来水、电视、电话、交通工具和燃料,这说明广大农村目前对管道燃气需求尚未达到相当迫切程度。没有农民自身的积极性,仅靠国家补贴在农村建设管道燃气是不可取的,且由于财力有限,国家的补贴也有限,目前所建的秸秆气化供气系统投资都偏低,造成建设质量隐患很多,全国所建设的几百个秸秆气化站完全符合燃气建设技术规范的并不多。有些地方和部门虽为推广秸秆气化而制定了部门标准、地方标准,使其气化系统“合法化”,但降低了上百年总结出来的技术标准,只能是“削足适履”,其隐患不除,事故必将不断出现且不可能保证长期安全运行。二是秸秆气化提高了能源利用率,若用秸秆气化代替直接燃烧秸秆,非但不能“消化”秸秆,反而造成秸秆过剩。1个200户的秸秆气化站每年仅消耗400t秸秆,全国几百个气化站每年消耗几十万吨秸秆,仍有大量过剩秸秆得不到有效的利用,也解决不了“秸秆焚烧问题”。三是近年在秸秆气化方面有关部门推行秸秆氧化气化路线,该路线设备简陋且生产的燃气热值低和杂质多,根本达不到国家民用燃气标准,又多在亏损无经济效益下运行,目前全国共建小气化站700多个,投入资金3亿多元,但大部分都已停产或报废。目前秸秆利用仍未跳出“农业问题”的误区,采取小农意识的做法是解决不了秸秆过剩、焚烧秸秆污染环境的社会问题。秸秆综合利用技术 3.1 秸秆饲料技术
秸秆中含量较高的粗纤维(约占秸秆干物质的20%～50%[8]),限制了瘤胃中的微生物和消化酶对细胞壁内溶物的消化作用,导致秸秆适口性和营养性差,无法被动物高效地吸收利用。因此,开发和利用秸秆饲料资源,提高其利用率和营养价值势在必行。在实践中,秸秆饲料的加工调制方法一般可分为物理处理、化学处理和生物处理3种[9]。这些处理方法各有其优缺点。切段、粉碎、膨化、蒸煮、压块等物理方法虽简单易行,容易推广,但一般情况不能增加饲料的营养价值。化学处理法可以提高秸秆的采食量和体外消化率,但也容易造成化学物质的过量,且使用范围狭窄、推广费用较高。生物处理法可以提高秸秆的营养价值,但要求技术较高,处理不好,容易造成腐烂变质。3.2 秸秆能源化技术
秸秆的能源密度为13～15mgkg,作为主要生活燃料,其能源化用量占农村生活用能的30%～35%。现行主要的秸秆能源化利用技术有秸秆直燃供热技术、秸秆气化集中供气技术、秸秆发酵制沼技术、秸秆压块成型及炭化技术等。3.2.1 秸秆直燃供热技术
作为传统的能量转换方式,直接燃烧具有经济方便、成本低廉、易于推广的特点,可在秸秆主产区为中小型企业、政府机关、中小学校和相对比较集中的乡镇居民提供生产、生活热水和用于冬季采暖。目前,英国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电联产[10]。我国秸秆直燃供热技术起步较晚,适合我国农村特点的、运行费用低于燃煤锅炉的小型秸秆直燃锅炉的研究正加紧进行。
3.2.2 秸秆气化集中供气技术
秸秆气化是高品位利用秸秆资源的一种生物能转化方式。经适当粉碎后,秸秆在气化装置内不完全燃烧即可获得理论热值为5724kJm3气,其典型成分为:CO20%,H215%,CH42%,CO212%,O21.5%,N24915%。燃气经降温、多级除尘和除焦油等净化和浓缩工艺后,由罗茨风机加压送至储气柜,然后直接用管道供用户使用[11]。秸秆气化集中输供系统通常由秸秆原料处理装置、气化机组、燃气输配系统、燃气管网和用户燃气系统等五部分组成,供气半径一般在1km之内,可供百余户农民用气。目前全国已有380余处秸秆气化集中供气示范点,仅山东就有170余处。秸秆气化经济方便、干净卫生,在小康村镇建设中广受欢迎。但大规模推行秸秆制气还需解决气化系统投资偏高,燃气热值偏低,以及燃气中氮气与焦油含量偏高等问题[12]。3.2.3 秸秆发酵制沼技术
秸秆制沼历史悠久,它是多种微生物在厌氧条件下,将秸秆降解成沼气,并副产沼液和沼渣的过程。沼气含有50%～70%的甲烷,是高品位的清洁燃料,它可在稍高于常压的状态下,通过PVC管道供应农家,用于炊事、照明、果品保鲜等,或加工成动力燃料和甲醇等,做双料发动机燃料。秸秆可直接投入沼气池,也常用做牲畜饲料,转化成粪便进入沼气池。池中秸秆、人畜粪便和水的配比一般为1∶1∶8,在产沼过程中,需定期投入发酵基质及清理沼渣。实践表明:一个3～5口人的家庭,建一口8～10m3的沼气池,年产300～350m3的沼气,可满足一日三餐和晚间的照明用能[13]。因此,秸秆制沼不仅可优化农村能源结构,节约不可再生能源的消耗,还具有良好的经济、环境和生态效益。3.2.4 秸秆压块成型及炭化技术
秸秆的基本组织是纤维素、半纤维素和木质素,它们通常在200～300℃下软化,将其粉碎后,添加适量的粘结剂和水混合,施加一定的压力使其固化成型,即得到棒状或颗粒状“秸秆炭”,若再利用炭化炉可将其进一步加工处理成为具有一定机械强度的“生物煤”。秸秆成型燃料容重为112～114gcm3,热值为14～18MJkg,具有近似中质烟煤的燃烧性能,且含硫量低,灰分小。其优点有:(1)制作工艺简单,可加工成多种形状规格,体积小,贮运方便;(2)品位较高,利用率可提高到40%左右;(3)使用方便,干净卫生,燃烧时污染极小;(4)除民用和烧锅炉外,还可用于热解气化产煤气、生产活性炭和各类“成型”炭。3.3 秸秆的工业应用
3.3.1 生产可降解的包装材料
用麦秸、稻草、玉米秸、苇秆、棉花秆等生产出的可降解型包装材料,如瓦楞纸芯、保鲜膜、一次性餐具、果蔬内包装衬垫等,具有安全卫生、体小质轻、无毒、无臭、通气性好等特点,同时又有一定的柔韧性和强度,制造成本与发泡塑料相当,而大大低于纸制品和木制品。在自然环境中,一个月左右即可全部降解成有机肥。
3.3.2 用作建筑装饰材料
将粉碎后的秸秆按一定比例加入粘合剂、阻燃剂和其他配料,进行机械搅拌、挤压成型、恒温固化,可制得高质量的轻质建材,如秸秆轻体板、轻型墙体隔板、粘土砖、蜂窝芯复合轻质板等,这些材料成本低、重量轻、美观大方,且生产过程中无污染,因此广受用户欢迎。目前,秸秆在建材领域内的应用已相当广泛,秸秆消耗量大、产品附加值高,又能节约木材,很有发展前景。按胶凝剂分有水泥基、石膏基、氯氧镁基、树脂基等。按制品分有复合板、纤维板、定向板、模压板、空心板等。按用途分为阻燃型、耐水型、防腐型等。3.3.3 生产工业原料
玉米秸、豆荚皮、稻草、麦秸、谷类秕壳等经过加工所制取的淀粉,不仅能制作多种食品与糕点,还能酿醋酿酒、制作饴糖等。如玉米秸含有12%～15%的糖分,其加工饴糖的工艺流程为:原料-蒸料-糖化-过滤-浓缩-冷却-成品。李莉等[14]用稻草、玉米秸代替棉花、棉短绒为原料,制成纤维素,然后经化学改性、提纯等工序制得羧甲基纤维素产品,成本降低了20%。张启峰等[15]将玉米秸秆经过预处理、水解、净化、催化氢化、浓缩和结晶等步骤所制取的木糖醇,其质量可达到食品级标准。刘俊峰等[16]以稻草和麦秆为原料,用复合添加法制取了糠醛,出醛率达理论出醛率的70%～80%,废渣全部变为中性复合肥料。秸秆酸、碱水解发酵制酒精的工艺条件苛刻,对设备有腐蚀,运行成本高,而秸秆酶解发酵酒精选择性强,且较化学水解条件温和,目前国内外的研究已有一定进展[17]。3.3.4 秸秆用于编织业
秸秆用于编织业最常见、用途最广的就是稻草编织草帘、草苫、草席、草垫、草编制品等。如草帘、草苫等可用于蔬菜工程的温室大棚中;草席、草垫既可保温防冻,又具有吸汗防湿的功效;而品种花色繁多的草编制品,如草帽、草提蓝、草毡、壁挂及其它多种工艺品和装饰品,由于工艺精巧,透气保暖性好,装饰性佳,深受国内外消费者的喜爱,因而已经成为一条效益很好的创汇渠道。4 结论和建议
目前秸秆的综合利用技术,正从早期的蔽日遮雨材料、直接或堆沤还田、烧火做饭取暖、加工粗饲料,向着快速腐熟堆肥、气化集中供气、优质生物煤、高蛋白饲料、轻质建材和易降解包装材料、有价工业原料及高附加值工艺品等方向发展。从农业生态系统能量转化的角度来分析,单纯采用某一种利用方式,秸秆能量转化率和利用率会受到限制。因此,根据各类秸秆的组成特点,因地制宜,把其中几种方法有机地组合起来,形成一种多层次、多途径综合利用的方式,从而实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化是未来生态农业发展的必然趋势。
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