程文龙

（山西晋钢集团）

摘要：在冶金工业高质量发展的背景下，降本增效、绿色环保与智能化升级已成为行业转型的核心方向。本文以晋钢智造科技实业有限公司辅助设备智能运行改造为研究对象，系统阐述了除尘器智能运行系统、输送系统智能优化及智能化改造的技术路径与实践效果。通过引入动态平衡算法、数据联动技术与全生命周期管理理念，解决了传统设备运行中能耗过高、效率低下、人员依赖强等问题，实现了辅助设备的精准化、无人化与高效化运行。研究表明，智能化改造后除尘效果提升 15% 以上，年节电超 130 万度，岗位人员减员 60%，为冶金行业智能化转型提供了可复制的实践经验。

1  引言

冶金工业作为国民经济的支柱产业，其生产过程的连续性、高效性与环保性直接影响行业竞争力。随着 “双碳” 目标与智能制造战略的推进，传统冶金企业面临着能耗管控趋严、人力成本上升、环保标准提高等多重压力。辅助设备作为冶金生产的 “血管系统”，涵盖除尘、输送、筛分等关键环节，其运行效率与能耗水平对整体生产效益具有决定性影响。

传统辅助设备运行模式存在显著痛点：除尘器风量固定导致能源浪费与环保风险并存，输送系统定频运转造成空载率过高，设备状态监测依赖人工巡检导致故障响应滞后。据行业数据显示，冶金企业辅助设备能耗占总能耗30%-40%，空载运行时间占比达 25%-35%，设备非计划停机中 60% 源于辅助系统故障。因此，推动辅助设备智能化改造成为冶金企业降本增效、实现绿色转型的必然选择。

企业针对辅助设备运行痛点，开展了以 “动态平衡、数据联动、无人值守” 为核心的智能化改造实践。本文系统梳理其技术方案与应用效果，旨在为冶金行业辅助设备智能化升级提供参考。

2  除尘器智能运行系统设计与应用

除尘系统是冶金生产环保达标与作业环境改善的核心保障，传统除尘模式因风量调控僵化导致环保与能耗难以平衡，晋钢通过 “检测 - 运算 - 调节 - 联动” 四维技术体系实现智能化升级。

2.1  传统除尘系统的运行瓶颈

风量匹配失衡
传统除尘器采用 “一刀切” 的固定风量模式，各除尘点位无论实际粉尘浓度均以最大风量运行。例如，烧结车间配料环节与成品转运环节粉尘产出差异达 3 倍以上，但风量分配相同，导致配料环节风量不足引发扬尘，成品环节风量过剩浪费电能。数据显示，固定风量模式下风机无效能耗占比达 40%，同时存在 15% 的环保超标风险。

调节响应滞后
依赖岗位人员每 2 小时巡检一次的人工调节模式，无法应对瞬时粉尘波动。例如高炉出铁时粉尘浓度在 5 分钟内可从 50mg/m³ 骤升至 500mg/m³，人工调节需 30 分钟以上，期间易引发局部粉尘超标。而不调整的话出现除尘系统空转等现象、

数据孤岛严重
粉尘浓度、风机参数、生产负荷等数据分散存储，未建立关联分析机制。例如，烧结矿产量提升 20% 时，破碎环节粉尘量同步增加 15%，但除尘系统无法自动预判调整，仍维持原有风量。

设备损耗加速
风机长期满负荷运行（50Hz）导致轴承温度升高 10-15℃，电机绝缘老化速度加快 30%，平均检修周期仅 3 个月，年维护成本超 50 万元。

2.2  除尘智能化技术方案

粉尘实时检测系统构建
在各除尘点位安装激光散射式粉尘传感器（检测精度 0.1mg/m³，响应时间＜1 秒），覆盖烧结、炼铁、炼钢等 12 个关键区域，形成每 1 分钟一次的实时数据采集网络。传感器采用防高温、抗振动设计，适应冶金车间 - 20℃至 80℃的极端环境，数据通过工业以太网传输至中央控制系统，实现粉尘浓度可视化监控。

动态风量分配算法设计

构建以 “粉尘浓度 - 风量” 动态匹配为核心的算法模型，公式如下：

单一下料口理论风量 =（单点位粉尘量 / 总粉尘量）%× 除尘器总风量

算法设置双重逻辑：优先保障环保达标，当任意点位粉尘浓度＞10mg/m³ 时，自动关闭其他达标点位 30% 风量，集中供给超标区域；当所有点位达标（＜10mg/m³）时，对比实时粉尘总量与月峰值，每降低 10% 峰值下调风机频率 5Hz，最低至 5Hz，实现 “按需供风”。

生产参数联动机制
通过大数据分析建立粉尘量与生产参数的映射关系，减少传感器投入。

例如：

· 烧结系统：上料量每增加 10t/h，破碎环节粉尘量上升 8%，系统直接通过上料量数据调整风量；

· 炼铁系统：铁口温度＞1500℃时，出铁粉尘量激增，自动提升除尘风机频率至 45Hz。
该机制使粉尘传感器安装量减少 40%，改造成本降低 35%。

1. 执行系统升级
采用变频风机（调节范围 5-50Hz）与电动调节阀门（开度精度 ±1%）组合，响应延迟控制在 3 秒内。例如，当烧结配料仓粉尘浓度从 20mg/m³ 升至 200mg/m³ 时，阀门开度从 10% 自动增至 80%，风机频率从 30Hz 提至 45Hz，1 分钟内将浓度控制在 8mg/m³ 以下。

2.3  应用效果分析

环保效能提升
改造后除尘效果提升 15%，粉尘浓度稳定在 5-8mg/m³，优于国家超低排放标准（＜10mg/m³），全年无环保超标事件。风机平均运行频率从 45Hz 降至 30Hz，噪音从 90dB 降至 72dB，作业环境舒适度显著改善。

能耗与成本优化
单系统年节电 32 万度，折合标准煤 40 吨，12 套系统年总节电 384 万度。设备检修周期延长至 6 个月，维护成本下降 35%，年节约费用 17.5 万元。

人力资源重构
岗位人员从 “12 人 / 班定点值守” 优化为 “5 人 / 班巡回巡检”，减员率 60%。通过数据平台远程监控，故障响应时间从 30 分钟缩短至 8 分钟，设备有效作业率提升 8%。

3  输送系统智能运行优化

输送系统是冶金物料流转的核心，传统运行模式因空载率高、能耗大等问题制约生产效率，晋钢通过 “变频调控、动态匹配、智能监测” 实现系统性优化。

3.1  传统输送系统的突出问题

空载率居高不下

主线设备开机前，辅助输送设备需提前 30 分钟运转等待；主线故障时，因信息传递滞后，辅助设备平均空转 45 分钟 / 次。2021 年统计显示，230 烧结系统辅助设备空载时间占比达 32%，年空转耗电超 12 万度。

定频运行能耗浪费
设备采用 50Hz 定频运转，运载量波动时无法调节。以 c2 皮带为例：长度 500m，满负荷运载量 35t（每米 70kg），但实际运载量低于 18t 时仍保持 1.6m/s 满速，电能浪费率达 40%。

数据管理分散
运载量、带速、设备温度等参数依赖人工记录，数据误差率 15%，故障发现平均滞后 1.2 小时。2021 年因数据滞后导致的非计划停机达 12 次，影响产量 3800 吨。

设备寿命缩短
长期满负荷运行导致皮带磨损速率加快 25%，电机平均温升超 40℃，设备寿命较设计值缩短 20%，年更换皮带成本增加 12 万元。

3.2  智能化优化技术路径

集中变频调控体系
搭建中央控制系统，通过 PROFINET 工业总线连接 18 条皮带机、6 套筛分系统的变频模块，实现 “主线 - 辅助设备” 联动启停。当主线开机信号触发后，辅助设备根据物料传输时间差（如皮带传输延迟 2 分钟）精准启动；主线停机时，辅助设备在物料输送完毕后自动关停，避免无效空转。

运载量 - 频率动态匹配模型
安装皮带秤（精度 ±0.5%）实时监测运载量，通过公式计算最优频率：
单一设备实际运载频率 =（理论运载力 / 满负荷能力）%× 实际运载量 × 基准频率
以 c2 皮带为例：满负荷 35t 对应 50Hz，当运载量 28t（80% 满负荷）时保持 50Hz；18t（51%）时降至 30Hz；＜5t 时降至 5Hz，3 分钟后停机。该模型使运载量与能耗精准匹配，空载率下降至 3% 以下。

全状态监测网络
部署测速轮（精度 ±0.1m/s）、红外温度传感器（监测范围 - 50℃至 300℃）、防撕裂开关等设备，每 1 分钟采集 1 次数据，构建 “参数异常 - 预警 - 停机” 三级响应机制：

· 一级预警：带速波动 ±5%、电机温度＞60℃，系统自动提示巡检；

· 二级预警：带速波动 ±10%、温度＞70℃，远程调节频率并报警；

· 紧急停机：带速骤降＞20%、撕裂信号触发，1 秒内切断电源。

1. 设备全生命周期适配
根据设备使用年限动态调整基准参数：新设备以 80% 满负荷为基准；使用 2 年后上调 5%（即 85% 满负荷），补偿性能衰减；检修前 1 个月再上调 3%，确保输送效率稳定。

3.3  应用成效

能耗大幅降低
2022 年烧结系统因故障停机 14190 分钟，通过智能调节节电 71186.5kw/h；全系统年总节电 132 万度，折合成本 79.2 万元。皮带机平均运行频率从 50Hz 降至 32Hz，电机温升控制在 30℃以内。

设备效能提升
空载率从 32% 降至 2.8%，非计划停机次数从 12 次 / 年降至 3 次 / 年，设备有效作业率提升 10%。皮带磨损速率下降 20%，使用寿命延长至设计值的 1.3 倍，年节约更换成本 9.6 万元。

适用范围扩展
该方案成功应用于料场堆取料机、船运吊机、货运翻车机等设备，料场卸货能耗下降 12%，翻车机作业效率提升 15%，验证了技术的通用性。

管理模式革新
数据集中监控平台实现参数实时可视化，故障处理时间缩短至 25 分钟，岗位人员从 “8 人 / 班” 减至 “1 人 / 班”，减员率 87.5%，剩余人员转型为 “数据分析师 + 巡检工”，综合业务能力显著提升。

4  智能化改造的创新价值与行业启示

辅助设备智能化改造突破传统运行模式，形成可复制的技术与管理经验，其创新价值与行业意义值得深入探讨。

4.1  核心技术创新点

动态平衡技术体系

打破 “固定参数” 运行惯性，构建 “检测 - 运算 - 调节” 闭环：除尘系统实现 “粉尘量 - 风量” 动态平衡，输送系统达成 “运载量 - 能耗” 精准匹配，使设备运行始终处于最优状态。该体系较传统模式平均节能 25%，效率提升 18%。

数据替代与联动技术
通过生产参数与运行参数的映射分析（如 “上料量 - 粉尘量”“产量 - 运载量”），减少 40% 传感器投入，降低改造成本的同时，扩展数据应用场景。例如，利用烧结产量数据预判破碎粉尘量，提前 5 分钟调整风量，响应速度提升 60%。

全生命周期精准运维
将设备性能衰减纳入调控模型，通过参数动态适配（如检修后期频率上调 5%）延长寿命 20%，体现 “预测性维护” 理念。该思维突破传统 “故障维修” 模式，使非计划停机率下降 70%。

4.2  对冶金行业的实践启示

智能化转型路径：从 “局部优化” 到 “系统升级”以除尘、输送等辅助设备为切入点，通过小范围试点验证技术可行性，再逐步推广至全流程，避免 “大而全” 的盲目投入。数据显示，该路径使改造投资回收期缩短至 1.5 年，较整体改造模式减少成本 30%。多目标协同优化：环保优先，效益并重在目标排序上，除尘系统优先保障环保达标，输送系统以能耗控制为核心，通过技术手段实现多重目标平衡。例如，除尘系统在环保达标的前提下节能 40%，印证了 “绿色发展与降本增效可协同推进”。

人员转型：从 “操作者” 到 “决策者”
智能化并非简单 “减员”，而是通过岗位重构提升人员价值：80% 的操作岗转化为 “技术岗 + 管理岗”，要求员工掌握数据分析、系统运维等技能。通过 “理论培训 + 实操演练”，使转型人员合格率达 95%，为行业人才升级提供范本。

5  结论与展望

企业辅助设备智能化改造通过技术创新与管理革新，实现了显著的经济、环保与社会效益：除尘效果提升 15%，年节电超 500 万度，岗位减员率 90%，年综合效益超 300 万元，验证了智能化技术在冶金辅助设备中的应用价值。 

未来，可从三方面深化改造：一是引入机器学习算法，通过历史数据训练预测模型，实现 “风量 - 运载量” 提前 10 分钟预判；二是构建数字孪生系统，虚拟仿真设备全生命周期状态，优化维护策略；三是拓展应用至料场、码头等场景，打造全链条智能物流体系。 

冶金行业智能化转型是大势所趋，辅助设备作为 “薄弱环节” 与 “潜力点”，其改造成效直接影响企业竞争力。晋钢的实践表明，通过技术创新与模式革新，辅助设备完全可成为 “降本增效、绿色发展” 的核心抓手，为行业高质量发展提供坚实支撑。 

专利内容，仿造者慎重

参考文献
[1] 山西晋钢智造科技实业有限公司. 2022 年辅助设备智能化改造技术报告 [R]. 2022.
[2] 中国钢铁工业协会.冶金行业智能制造发展指南（2021-2025）[Z]. 2021.
[3] 程文龙.工业辅助设备动态平衡调控技术研究 [J]. 冶金设备，2022 (3):45-50.
[4] 晋钢集团. 2021-2023 年能源消耗与环保指标统计年报 [Z]. 2023.
[5] 国家发改委。钢铁行业绿色低碳发展行动计划 [Z]. 2022.