科技新进展：江阴兴澄特种钢铁有限公司灯塔工厂

一、研究的背景与问题

灯塔工厂(Global Lighthouse Network 全球灯塔网络）2018年由世界经济论坛发起，是“数字化制造”和“工业4.0”的示范标杆，第四次工业革命的领跑者，代表全球智能制造的最高水平，公信力得到全球制造业及世界各国一致认可。截至2023年12月，全球灯塔工厂数量达到153家，钢铁行业仅6家。中国是目前拥有灯塔工厂最多的国家。

兴澄特钢按照世界经济论坛灯塔工厂建设方法论，构建敏捷的企业文化与数字化协同机制，全面建设数字化工厂，升级铁、钢、轧、能、环、研六位一体的数智化水平，大力开展自主研发、复制推广工作。2023年12月，经过世界经济论坛专家多轮次评审，加入全球灯塔工厂网络。

兴澄特钢建设世界灯塔标杆工厂，推进企业管理层和员工对数字化转型的认知，并通过科学的方法、适配的敏捷化组织，营造共建、共享、共创的数字化的企业文化，以价值为驱动，通过数据发现问题、分析问题、解决问题，打破传统的经验驱动决策的方式，建立公司的研、产、供、销、服务全链条数字化体系。

二、解决问题的思路与技术方案

兴澄特钢按世界经济论坛灯塔工厂价值观和方法论，建设数字化转型提升项目，并提炼具有特钢行业特色应用和独特价值的高定制、高品质、高效率等五大先进用例。

1、建设中信泰富特钢数智中心，总建筑面积超1万平米。数智中心依托“创新、协调、绿色、开放、共享”五大设计理念，构造了“一湖、一岛、一综合”的高品质空间，是特钢行业首个全流程的数字化、智能化的综合运营中心。数智中心包含四大功能模块，分别是铁前操控协同、生产运营决策、设备智能诊断和IDC大数据汇集。数智中心发挥着信息融合、运维保障、多部协同、智能决策等作用，是公司生产运营的核心大脑。数智中心的建成投用为公司带来了三大创新，即从“孤岛式、烟囱式、难利用”转变为“横向到边、纵向到底、数有所值”的数据模式创新，从低效难协同转变为全流程融合的管理模式创新，和从简单粗放转变为智能化的应用模式创新。

2、打造高炉集控、智慧炼铁新范式，构建极致高效绿色新炼铁。高炉集控中心位于数智中心，通过操作室的集中操作、智能化装备的提升，以大数据、人工智能、数字孪生技术，跨系统整合、跨平台融合，全方位稳定质量、降低工序能耗，打开高炉“黑箱子”、动态镜像跟踪炉内冶炼情况，真正实现铁前生产的联动、岗位协同。同时该大厅通过工业专网将集团内其他基地的铁前工序数据接入，实现多基地多工序的铁前集控，是目前国内集控技术最深，岗位配置最精简，智慧高炉最有深度的铁前集控。以集控中心建设为契机，整合资源、群策群力，全流程寻找短板和瓶颈，逐项攻关突破。铁前系统以高炉用料需求为核心，炼铁、采购、物流、储运联动，确保铁前物资保供到位；优化高炉装料流程，稳定煤气流，保障炉况长期稳定顺行，确保高炉稳产高产。

图1数智中心

图2炼铁数字化大厅

3、一炼轧示范产线再升级，助力经营生产再提升。一炼轧示范产线在原有技改上，再次进行智能化升级，基于工业机理的高能耗工艺优化，优化提升加热炉智能燃烧模型、热效能检测及炉压控制模型，实现高能耗工艺优化；新建基于数字孪生的炼轧平台，利用三维建模技术、数据应用可视化模块，搭建炼轧信息化生产的各工艺流程全三维可视化虚拟工厂，支撑企业可持续发展：以数据驱动的精益化生产管控，使炼钢基本实现一键操作模式；增轧钢碳排放能源管理系统，实现关键因素预警模型、评价模型，逐步实现节能减排的目的。炼轧操控中心通过数字化运营图，集中展示炼钢、轧钢的总体运营调度情况、生产情况、质量跟踪情况等等。炼轧一级画面的集中操控，打破产线的部门墙，提升协同效率，全厂数字孪生实现在线关键设备状态、质量异常的追溯，大幅度提升管控精度，产线主要节点的从10分钟级别提升到分钟级。

图3兴澄特钢数智运营中心

4、大数据分析和性能预测模型满足客户质量和定制化要求。升级应用质量大数据平台，新增质量预测模型、专家系统、知识库，实现产品质量预警、知识共享；实现知识的有效交流，最终达到提升过程质量控制水平、提高产品质量的目的，通过质量大数据平台建设，研发数字性能预测技术和大数据分析技术，根据市场订单需要快速适配出满足客户质量和定制化要求的加工工艺，并通过对质量要求进行数字仿真拟合，利用AI技术进行金相分析，研发周期提速了56%，快速响应市场的同时不断优化产品质量。

图4质量大数据架构

5、柔性化、敏捷化生产能力促进高效生产。建设厚板智能工厂，加热炉智能燃烧建立了基于物理冶金与机器学习的温度场算法，使加热炉彻底透明化，全面提升了加热效率，提高了出钢节奏。自主研发整套全流程高精度特殊钢轧制过程控制系统，采用AI+工业机理融合的算法与控制技术，智能调整“轧制力，扭矩”等轧机参数并科学分配规程，提升轧机能效，变革轧制新技术，通过XGBoost算法构建轧后智能冷却模型，根据不同规格切换和工艺变化，快速设定最优冷速、水量等冷却策略，终冷温度精准度提升15%，冷却工序替代离线热处理，使每月在线冷却量提升32倍。利用5G+工业视觉技术，实现自动转钢、冷床智能上下料、双边剪智能对中，大幅提升了生产效率，敏捷响应市场需求，降低工人劳动强度，提升产品质量，增加工序产能。轧钢能力提升显著，产量实现最大化，制定了轧区管理各项提升措施，通过对日生产实施计划目标，以结果绩效为导向，挖掘班组内在潜力；对坯料排产原则进行规范和优化，当班严格执行计划装炉顺序，提前策划好待温、换工装时间，利用停机时间进行设备消缺、维保；针对极限规格或难轧品种，制定专项应对措施，专人跟踪确保轧制安全，较22年提升5.6%。

6、高阶分析驱动的能、水、碳资源优化。数字能源集中管控系统，建立集生产控制、智能设备管理、应急指挥、能源管控、环保监控、可视化系统为一体的智能决策系统。实现能源管理智能化、精细化、生产决策可视化,确保公司能源系统安全、稳定、经济，智能设备管理将提高设备寿命及运行效率;智能化违章识别将提升人员及设备的安全可靠性。智慧工业水系统，利用国内领先的 AI算法及先进控制理念，打通水务系统的各个分/子系统，建立从源头取水、净水、管网输水到末端用水、污水处理的全流程闭环控制系统，实时协调各系统的配合运行，形成统一可控的水系统先控体系，实现水系统全流程的自适应控制。基于权威碳核算方法论，并结合钢铁企业生产流程，全面采集生产现场能耗/物料等数据，开发上线了“碳排放管理系统”，支撑销售部门获取更多绿色订单，扩大行业领先优势。

图5高炉能源数据驾驶仓

7、工业互联网支撑企业智能制造运营。物联网平台支持设备的接入、数据采集、设备建模、数据分析以及数据应用，实现设备、产线、车间、工厂及集团信息系统的互联和数据融合。以数据为驱动，融合现有系统与场景，支持各种数据来源和格式，分布式数据存储架构，采集整合全域数据形成标准，优化数据模型，为提供业务指导。AI算法引擎中枢承担各类AI任务，提供数据挖掘、模型开发训练、模型/算法库管理等一系列相关 AI 紧耦合的能力支持，敏捷支持智能化业务需求，以自动化模型代替人工流转，降低资源和人员成本。通过平台的数据联动和业务协同运营，可为客户提供具备区块链属性的钢资产、质保书、单据和生产状态数据，实现端到端的数据联通和协同，主导建设面向整个特钢行业的“数字化秩序”，帮助下游企业建设数据信用，推动全行业健康发展。

图6工业互联网架构图

8、构建敏捷的企业文化与数字化协同机制。为了激发企业数字化转型活力，2020年12月，公司成立了以总经理为组长的数字化转型领导小组，组建了一支结合了业务和技术人员、跨子公司、跨部门的数字化执行团队。在践行灯塔建设中，制定了完善的管理机制，积极引导企业员工拥抱数字化转型，在职业规划、待遇保障、资源倾斜等方面实施了一系列举措。为培养、选拔各类数字化转型人才，公司建立特钢互联网学院并设立了模拟仿真教室、大师工作室、VR教室、敏捷工作室、产学研联合工作室、互联网教室及各类普通教室、研讨室，同时利用中信特钢学院学习基地提供一站式人才综合训练，适应企业转型的需要。公司通过数字化手段和敏捷工作方法，推进敏捷项目管理制度，组建的敏捷小组深入落实和赋能数字化转型，开展数字化协同，通过天天读、周例会，对项目进行日常调度管理，沉淀了两套敏捷应用实践。采用大项目建设逐渐转化分解为MVP进行迭代的方式，实现软件平均开发周期缩短31%。

图7数字化转型管理机制

9、自主研发新技术赋能生产经营业务提升。利用项目制方式培养数智化精英人才，自主研发的“产品盈利决策模型”、“辅助生产排程系统”、“核心工序工艺控制模型”、“澄钢再生项目”、“精准采购和JIT项目”、“精整阶段全流程跟踪功能”、“检化验系统”、“吨钢承包物资管理项目”、“企业互联项目”、“移动端平台应用扩展”等多个项目，通过软件功能和数据服务加强整个公司经营业务运转，持续为生产经营赋能，同时扩展业务领域，发挥平台在互联网上的节点作用，将信息化服务从内部向外部供应商和客户进行延伸和覆盖。对内提升使用体验，提供便捷功能，对外承接数据打通内外流程。

三、主要创新性成果

通过着力开展特殊钢基础、应用和前瞻性研究，践行国家“双碳”战略，以低碳冶金和智能制造等技术引领全流程、全产业链的低碳发展，在降低成本、提升生产效率、绿色可持续发展等方面，集成了至少 5 个达到世界级领先的智能制造技术，并搭建可扩展的物联网架构，支撑规模化的复制推广，同时有匹配的数字化管理模式、人才队伍和企业文化，为技术创新和业务转型提供基础和保障。

1、大数据分析支持的制造工艺定制设计。通过工艺数据分析，进行性能预测，快速确定工艺方案，解决“设计时间长、精度低”的问题。建立了行业独特的“特钢工艺大数据库”，在数据库中“模糊搜索特征，快速匹配指标，推荐最优方案”，对初始方案快速迭代和精准定型，实现了工艺参数命中率上升125%，试制次数下降55.6%。

图8敏捷研发协同体系

图9敏捷研发系统流程

图10AI金相全自动分析系统

2、多模态仿真实现高炉“黑箱透明化”。通过采集的热态传感器等多模态数据，仿真模拟“矿石-焦炭”的混合投料状态和炉内各项状态并优化控制参数，实现了高炉精准操控、稳定产出、降低能耗的透明化管理。应用最大信息系数(MIC)分析技术确定炉温影响因子（如炉渣温度等），并结合冶金机理和设备模型建立与炉温对应的关系函数，精准计算炉内温度，提前5分钟预测铁水产出状态，自动调节煤/风等参数，炉温波动幅度下降50%。

图11高炉“黑箱透明化”

图12热风炉自动控制系统

3、能闭环控制持续提升炼钢产品质量。基于质量大数据平台，针对炼钢环节的7大关键控制要点，部署10+智能解决方案，对重点工艺的精准控制，实现了质量的过程量化和结果提升。通过建立“氩气速率-渣面涌动-钢液流场”模型，运用AI视觉量化评价除杂质效果，并秒级调整吹氩参数，解决了人工观察效率低、误操作的问题，钢水纯净度不合格率下降29.9%。

图13钢包吹氩

图142#LHF加料系统

图15板材合金投料计算

4、AI赋能的轧钢工序高效制造。采用AI+工业机理融合的算法与控制技术，对“轧制、冷却“的关键参数进行优化，大幅提升了生产效率，增加工序产能。轧制机理+ELM算法支持的“变形抗力模型”，动态计算C/Si/Mn等化学成份对变形抗力的影响，基于预测，智能调整“轧制力，扭矩”等轧机参数并科学分配规程；提升机时产量且尺寸合格率上升15%；XGBoost算法赋能的智能冷却模型，能根据不同规格和工艺变化，快速设定“最优冷速、水量”等冷却策略；终冷温度命中率上升15%，在线冷却产品量上升32倍。

图16厚板轧制机理模型

图17 核心轧制规程计算

5、高阶分析驱动的能、水、碳资源优化。一方面通过设备级“能耗-设备参数”关系模型，强化在关键节点的深度节能；一方面通过“按需供给、精准控制”的优化调度系统，实现水/煤气等复杂系统的全局平衡与预测调度。采用动态权重算法，对25类重点设备确定设备能耗关键要素与不同工况下能耗定额的关系，以节能为目标优化生产参数。如热风炉设备能耗下降15%；面对控制点多（1200+）、要素复杂(25规格/138种工艺)的用水需求，通过AI增强的优化调度算法，对水系统的供需进行动态预测和调度，闭环控制用水温度、流量、压力等，实现了用水需求的快速满足和精确匹配，单吨产品使用新水量下降30%。

图18能源驾驶舱

图19三维数字化工厂

四、应用情况与效果

灯塔工厂是世界经济论坛于2018年推出的一项针对全球制造企业数字化转型开展的先进评选活动，截至2023年12月，全球共有153家企业获得此荣誉。兴澄特钢是全球特钢行业首家灯塔工厂，引领特钢行业在全球的数字化潜势，打造流程性行业智能制造标杆，持续巩固兴澄特钢在国内外市场的影响力和领导者地位。通过创建灯塔工厂，实现企业向智能制造的蜕变，提升企业知名度和美誉度。加入世界经济论坛“全球经济领袖”社区，有望与全球顶尖企业及各国政要建立联系，获得无形商机。先进用例的技术经验可复制推广集团其他子公司及同行企业，助力特钢行业发展；创建灯塔工厂的方法论和价值论，对其他流程型行业也有指导作用。

信息来源：中信特钢江阴兴澄特种钢铁有限公司