热加工行业论坛：钢铁技术与计算机的融合发展

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数字革命期间计算机如何塑造钢铁——特别参考北美

计算机数字革命塑造钢铁

自铁器时代以来，文明与钢铁技术的发展齐头并进。当 20 世纪 50 年代第二代计算机开始出现时，钢铁界迅速接受了这项技术。大约在同一时间，电子行业（尤其是美国电子行业）开始建立计算机制造能力。到 20 世纪 50 年代末，十几家美国供应商已经交付了大约 450 台大型计算机。因此，世界领先的钢铁制造商与最好的计算机制造设备的合作导致了计算机在钢铁制造中的广泛应用。

20 世纪 60 年代单片集成电路的发展以及 20 世纪 70 年代微处理器和可编程逻辑控制器的发展，使得计算机在各行各业，尤其是钢铁行业的应用呈指数级增长。到了 20 世纪 70 年代，日本已成为钢铁行业的主要领先者，通过使用计算机和新颖的本土技术，实现了最高水平的生产率和质量。20 世纪 80 年代，计算机用于复杂控制的应用扩展到许多地区，包括使用在线模型的钢铁厂所有车间；20 世纪 90 年代，人工智能和其他新技术开始应用于难以控制的钢铁工艺。所有上述发展都导致了用于不同用途的新型钢铁产品的出现。然而，如今，由于环境问题，钢铁行业在可持续性方面面临着最大的挑战之一。本文试图通过数字和示例来证实上述事实。

前言

第一次工业革命见证了向新制造工艺的过渡。贝塞麦转炉的开创性发明，可将熔融的热铁转化为钢以供大规模生产，以及其他领域的发明（电网系统、大规模生产和装配线、铁路等），标志着第二次工业革命，从 1870 年左右持续到第一次世界大战。在 20 世纪上半叶，使用机械化来提高工作效率和质量的趋势加速发展，而自动化的使用（即将机器集成到自主系统中）是朝着同一方向的自然发展。

数字革命（也被称为第三次工业革命）是从机械和模拟电子向数字电子的转变，可以说它始于 1947 年贝尔实验室发明晶体管。随着 20 世纪 50 年代计算机的出现，毫无疑问，这种新玩意儿在钢铁行业得到了检验。20 世纪下半叶，钢铁行业出现了许多突破性技术，这些技术利用计算机和其他自动化技术取得了预期的效果。现在，我们正处于第四次工业革命（工业 4.0）之中，它正在给我们的日常生活带来前所未有的变化。

美国钢铁产量在 20 世纪 70 年代中期达到顶峰。随后，由于一系列因素，包括国外竞争加剧、国内需求下降以及技术变化偏向小型、微型钢厂而非传统的长钢厂，美国钢铁产量开始下降。日本、欧洲和韩国的钢铁行业逐渐成为流程自动化和计算机化的中心。本文试图列出自 20 世纪 50 年代到 90 年代计算机出现以来计算机在钢铁行业的重要创新用途，特别是美国钢铁行业，主要使用 1960 年至 2000 年四十年间《钢铁工程师》杂志上的出版物作为例子（480 份出版物中约 80% 可以追溯到）。

作者要感谢 J. Aylen 的文章《金属的兆字节：钢铁工业中计算机应用的发展》[1]，这篇文章让他对这个问题有了更深入的了解。本文试图强化他的许多观察，同时提出了许多其他重要方面。

数字革命的先兆

闭环控制系统的使用是这一趋势的自然结果，因为它最早在公元前 300 年左右的希腊水钟中被记录下来。[2] 随着电气化的普及，第二次工业革命期间自动控制系统变得更加容易实施。钢厂革命最重要的方面是驱动器的电气化和自动控制的使用，它们取代了蒸汽驱动的轧机。1905 年，美国钢铁行业只有 5 台电动轧机；到 1931 年，这一数字已增至 1,806 台，额定容量为 300 万马力，约为钢铁行业功率的一半。[3]

在美国，1935 年至 1950 年被称为工业控制的“古典时期”。这一时期控制系统的发展与美国钢铁工业有关。在美国，有四个研究控制和控制理论的小组。其中一个小组由 Builders Iron Foundry Co. 的 Ed Smith 领导的工艺工程师和物理学家组成。该小组开始系统地发展对他们使用的控制系统的全面理论理解。他们寻求一个共同的术语，并说服美国机械工程师学会 (ASME) 于 1936 年成立了工业仪表和监管委员会。[4]

早期的自动化系统是在化工和石油工业中围绕气动控制器开发的，随后出现了模拟计算机。与开/关控制相比，气动控制器可以根据设定点的偏差计算变化。它们几乎不需要维护，并且在恶劣的工业环境中表现良好。在离散电子控制器和分布式控制系统 (DCS) 出现之前，它们一直是几十年的行业标准。因此，建立了 3 至 15 psi 的气动工业信号标准，下限从零增加到 3 psi，以确保设备在其线性特性内运行并代表 0-100% 的控制范围。在 20 世纪 50 年代，电子比例积分微分 (PID) 控制器变得流行，气动标准使用 10 至 50 mA 和 4 至 20 mA 电流环路信号进行模拟（后者成为行业标准）。[5,6]

20 世纪上半叶，在自动化领域发挥重要作用的设备/系统的发展还包括继电器、放大器、电子模拟计算机和汞弧整流器。还有许多其他发展也促进了数字革命的发展，而钢厂是这些发达技术的早期采用者。

20 世纪 40 年代和 50 年代：早期计算机

20 世纪 30 年代末和 40 年代初，全世界，尤其是同盟国和协约国，都大力推动技术进步，这导致了第二次世界大战期间先进电子控制和制造技术的发展，其中一些技术导致了数字革命的开始。存储程序计算机至今仍在使用，而在此之前，计算机领域在第二次世界大战期间和之后已经取得了许多进展。以下是一些示例：

lZ3(德国)机电计算机——世界上第一台可编程、全自动数字计算机(1941年)。[7]

Colossus（英国）——1943 年至 1945 年间用于破译密码的计算机。它被认为是世界上第一台可编程电子数字计算机，使用开关和插头进行编程。[8]

lENIAC (美国) – 第一台可编程通用电子数字计算机，于 1945 年 12 月完成。它用于弹道研究实验室。[9]

一些早期的计算机可以在参考文献 10 中看到。

1945 年，数学家约翰·冯·诺依曼在一篇广为流传的论文中概述了存储程序计算机的架构，包括编程信息和数据的电子存储。到 20 世纪 40 年代末，大西洋两岸已经开发出多台存储程序计算机。表 1 提供了一些基于阀门的存储程序计算机（第一代计算机）的详细信息。

表 1 部分基于阀门的存储程序计算机的详细信息

* Ferranti Mark：是基于SSEM制造的商用计算机。

** EDSAC（英国）：一般认为是第一台实用的通用存储程序电子计算机。它以世界上第一台组装计算机开创了全球软件业。

*** EDVAC（美国）：冯·诺依曼关于 EDVAC 的著名专著。EDVAC 的一份草案报告提出了对其设计的重大改进，体现了我们现在称为冯·诺依曼架构的主要“存储程序”概念。即将程序与数据存储在同一内存中。英国剑桥的 EDSAC 计算机和曼彻斯特婴儿是第一批采用这种设计的计算机。从那时起，绝大多数计算机都遵循了这一原则。将程序和数据放在不同的内存中现在被称为哈佛架构，以区分它们。

**** BINAC（美国）：美国第一台存储程序计算机，诺斯罗普员工表示，BINAC 在交付后从未正常工作（可能是由于重新组装时出现错误），尽管它在 Eckert-Mauchly 车间工作正常。第一台计算机用户手册出版。

*****CSIRAC：澳大利亚第一台数字计算机和世界上第五台存储程序计算机。

***** * UNIVAC（美国）：美国生产的第一台商用通用电子数字计算机，哥伦比亚广播公司（CBS）用它来预测 1952 年总统大选的结果。当时投票率只有 5.5%，但它预测艾森豪威尔将获得压倒性胜利。该处理器的正常运行时间长达数天甚至数周。

英国钢铁研究协会（BISRA）是钢铁研究的先驱之一，成立于 1944 年，是英国钢铁行业的研究机构，在谢菲尔德、斯旺西、蒂西德和巴特西设有实验室。BISRA 是钢铁行业数字计算的先驱，其研究为现代炼钢自动化做出了巨大贡献。[1,11]

第二次世界大战后，美国各实验室（贝尔实验室和德州仪器）、大学（宾夕法尼亚大学摩尔学院和普渡大学）和工业界（通用电气和西屋电气）积极参与第一代和第二代计算机的开发和生产及其工业应用。在当地工业中尝试新的发展是自然而然的。美国当时是最大的钢铁生产国，美国钢铁行业的领导者非常进步，他们最初将计算机引入非制造领域，随后将其用于过程的监督和在线控制。结果，到 20 世纪 60 年代初，美国计算机行业成为世界领先的计算机生产国，美国钢铁行业成为计算机过程控制的最大用户。

半导体固态器件

受第一颗晶体管发明的推动，狂热的研究活动促成了许多我们至今仍在使用的半导体固态器件和系统的发明和商业化。例子包括：硅晶体管（1954 年，贝尔实验室，德州仪器）、金属氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET（1960 年，贝尔实验室）、平面集成电路（1960 年，飞兆半导体）和晶体管-晶体管逻辑电路 TTL（1962 年，Sylvania）等。固态分立运算放大器于 1961 年问世，对电子电路和系统的发展产生了巨大影响。这些运算放大器实际上是带有边缘连接器的小型电路板。随后，在 1963 年，飞兆半导体发布了第一款单片集成电路运算放大器 μA702。使用“晶体管计算机放大器”（运算放大器，图 1）和 NOR 门模块，许多模拟技术可用于铣床和其他应用。带有分立元件的插入式单元形成不同的控制功能块（图 2）。带有分立元件的编程和静态开关很常见。数字变阻器（带有 DA 转换器的二进制计数器）为轧机速度提供静态参考。[17~20]

图1 使用PCB作为插件的计算机放大器（运算放大器），Westinghouse[20]

图2 不同的电路配置组合起来，产生所需的功能模块[20]

到 1960 年，美国已成为“卡片编程轧机”（钢坯轧机、板材轧机）领域的领导者。在这种轧机中，用于控制轧机各个操作步骤的信息被打在标准 IBM 卡片上（图 3），并读入磁芯存储器。在轧机的每次通过中，参数值（例如压下位置）都设置为卡片上打的值，并且在开始轧制之前使用静态逻辑电路调整实际压下位置。卡片程序系统对于快速重复的操作循环非常有用。最早使用卡片程序控制的两台轧机是 53 英寸（φ1350mm）钢坯轧机，自 1950 年以来一直完全自动运行（自动化由 Westinghouse 提供）和 Inland Automatic Slab Mill，后者于 1961 年使用通用电气系统。到 1963 年，仅通用电气就提供了 16 台带有自动卡片程序控制的可逆热轧机驱动器。对于这些系统，通常只有一名操作员（按下按钮启动程序），而不是两名。[21-23]

图 3 输入数据卡包含将钢锭轧制成板坯所需的所有信息[22]

在计算机内存领域，20 世纪 40 年代末和 50 年代取得了重大突破。磁鼓内存是在第二次世界大战期间为美国海军开发的。第一台量产的计算机是 1953 年发布的 IBM 650，内存约为 8.5 千字节。磁芯内存于 1949 年获得专利，并于 1953 年 8 月首次用于 Whirlwind 计算机。直到 1980 年，一些 PDP-11/45 机器同时使用了磁芯主存储器和磁鼓。IBM 于 1956 年推出硬盘驱动器 (HDD)，从 20 世纪 60 年代初开始，它们成为通用计算机的主要辅助存储设备。HDD 一直保持这一地位，直到现代服务器和个人计算机时代。[24-26]

早期计算机在商业、业务和过程控制中的应用

第一台用于商业应用的计算机是 1951 年的 LEO I（英国）。它最初用于估算工作，后来其作用扩展到工资单、库存等。它的早期任务之一是详细汇编每天下午从车间传来的每日订单，并用于计算夜间生产需求、装配说明、交货时间表、发票、成本和管理报告。这是集成管理信息系统的第一个例子。[27]

雷明顿·兰德公司生产的 UNIVAC I 是第一台为商业应用而设计的通用电子数字计算机。1951 年 3 月 31 日，第一台 UNIVAC 被美国人口普查局接受，并因预测次年总统选举结果而闻名。1954 年，通用电气公司购买了一台 UNIVAC-I，用于处理肯塔基州路易斯维尔家电部门的会计、制造控制和规划，成为第一家使用电子计算机进行常规数据处理的公司。有趣的是，1954 年，美国钢铁公司为其印第安纳州加里和宾夕法尼亚州匹兹堡的工厂购买了两台 UNIVAC-I 机器。然而，它们的用途尚不清楚。[14,28]

关于数字计算机首次应用于过程控制的时间存在一些争议，但可以肯定的是，计算机控制于 1959 年在德克萨斯州的德士古亚瑟港炼油厂和次年在路易斯安那州的卢灵的孟山都氨厂引入。在线过程计算机在炼钢中的首次应用是 1959 年在印第安纳州扬斯敦钢板和管材公司烧结厂用于数据记录的 GE 312 计算机。令人惊讶的是，面临的主要问题不是计算机的可靠性，而是传感器信号的可靠性。一般来说，当时的传感器不够可靠或准确，无法解释提供给计算机的信息，这影响了过程的自动控制。[29,30]

第二代计算机

1953 年 11 月 16 日，理查德·格里姆斯代尔和道格拉斯·韦伯在曼彻斯特大学汤姆·基尔伯恩的指导下演示了晶体管计算机原型。这通常被认为是世界上第一台可操作的晶体管计算机。这台 48 位机器使用了 92 个点接触晶体管和 550 个二极管。从 1956 年 6 月 31 日起，大都会维克斯电气公司生产了六台增强版（Metrovik 950），供其内部商业使用。[31]

到 20 世纪 50 年代末，十几家美国供应商（IBM、Burroughs、Datamatic、工程研究协会 (ERA)、GE、NCR、RCA、Philco 等）已经交付了大约 450 台大型计算机。1956 年的一次计算机普查报告显示，全球安装的 1100 台计算机中有四分之三是 IBM 650，这使其成为当时最受欢迎的计算机。1964 年，IBM 发布了 360 系列大型计算机，这是一项里程碑式的成就。客户可以购买最慢的型号 Model 30，并有信心在需要时可以购买更大的型号，而无需重新编写应用软件或更换外围设备。这个概念在市场上非常成功，并影响了未来几年的计算机设计。该系列还涵盖了科学和商业应用。[32,33]

图 4 显示了 20 世纪 60 年代 IBM 计算机电路板的外观。

图 4. 20 世纪 60 年代早期的 IBM 标准模块化系统 (SMS) PCB。该板实现了三个简单的逻辑门。[32]

20 世纪 60 年代至 70 年代：成熟期

20 世纪 60 年代是所有工业部门激动人心的时期，因为过程计算机的出现和固态晶体管技术领域的重要发展创造了前所未有的使用范围，大大提高了所有业务绩效指标。根据《控制工程》（1968 年）对全球数字计算机使用情况的调查：四个工业部门主导了计算机的使用——发电、石油和化学工业、金属制造（主要是钢铁）和其他（天文学、核能、太空等）。对于钢铁行业来说，这尤其具有挑战性，因为新工艺技术（碱性氧气炉 (BOF) 和连铸机 (CC)）的出现和过程计算机的同时出现为改进提供了巨大的机会。在钢铁行业，美国钢铁行业的形势既令人兴奋又令人担忧。一方面，美国是世界领先的钢铁制造商，另一方面，到 20 世纪 60 年代末，国际竞争对手，尤其是来自日本和欧洲钢铁制造商的竞争对手正在迎头赶上（表 2）。在这样的时代，在竞争环境中冒险和采用新技术是自然而然的事情。不出所料，20 世纪 60 年代，过程计算机在世界各地钢铁工业生产的几乎所有部门得到了广泛应用。[1]

表 2 1967-2000 年钢产量（百万吨）（来源：世界钢铁协会）[34,35]

集成电路 (IC)、微型计算机

20 世纪 60 年代第二代计算机的出现和应用是由一系列基础发展推动的。第一个真正的单片集成电路芯片于 1960 年问世（由 Fairchild 制造），随后的突破推动计算机性能参数呈指数级提升。例如，定点加法时间从 1958 年的 2000 毫秒缩短到 1966 年的约 3 毫秒。同样，倍增时间从 10,000 毫秒缩短到约 5 毫秒。同时，平均故障间隔时间 (MTBF) 从 80 小时增加到约 8000 小时。小规模集成电路（1964 年）对美国早期航空航天计划至关重要，有助于激发技术发展。随后，中规模集成电路（1968 年）和大规模集成电路（1971 年）为计算机行业的巨大增长奠定了基础。 20 世纪 80 年代超大规模集成电路 (VLSI) 和超大规模集成电路 (ULSI) 的发展确保了计算机继续呈指数级增长（摩尔定律）及其在人类各个领域的应用。[18,36,37]

1964 年 DEC 推出 12 位 PDP-8，开启了微型计算机的 20 年时代。它们通常使用一个或几个 19 英寸的机架（相比之下，大型主机可以占满一个房间），性能高，价格相对便宜。它们也更便宜，DEC 的 PDP8 入门价为 18,500 美元。在微型计算机时代成立的约 100 家公司中，如今仅剩 6 家。[38]

数字计算机使用的兴起

数字计算机在工业过程控制中的应用增长率只能用惊人的速度来形容。1965 年，《控制工程》杂志公布了一份全球计算机使用清单，其中显示共有 765 项应用，其中 144 项在金属工业，110 项在钢铁工业，三分之二安装在美国（见图 5 和表 3）。此外，到 1968 年，全球计算机总数为 2,890 台（不包括微型计算机），其中 397 台在金属工业（几乎全部在钢铁工业）。[39]

图 5 自 1958 年以来钢铁行业安装或订购的流程计算机数据 [39]

表 3 钢铁行业 110 台计算机的流程分布（1965 年）[39]

通用电气是钢铁应用领域计算机的主要供应商。到 1965 年，通用电气占据了金属过程控制计算机全球市场的 25%，西屋电气紧随其后，占有 17% 的份额。邦克-拉莫在所有过程控制领域都表现出色，但在金属领域仅占 10% 左右。美国钢铁行业计算机的最大份额主要归功于美国在开发实用、可靠的数字计算机方面处于领先地位，以及世界钢铁生产中使用的先进设备比例相对较高。

最早的在线应用之一（20 世纪 60 年代初）是西屋第二代存储程序计算机，用于控制板材轧机，如文献 40 中所述。板坯由计算机以全自动模式从熔炉移动到成品，轧机参数从沿辊放置的热金属探测器获取。还提供半自动和手动模式，所有预设信息都打在卡片上。计算机由插件模块、晶体管或非门和核心存储器组成。计算机通过预测每次轧制的轧制力和轧机弹跳并相应地设置压下量来控制轧机的厚度。据说当时的计算机大致可以满足普通操作员的操作。

早在 1964 年，大多数在线过程计算机要么是新设施的一部分，要么是重大现代化项目的一部分。目前的趋势是考虑在现有工厂中安装在线过程控制计算机，作为提高产能和质量的一种手段。然而，大多数都用于操作员指导和数据记录。在 20 世纪 60 年代初期，只有大约 15 台用于控制目的。有三种类型的过程计算机可供选择。离线计算机基本上是没有连接到输入或输出的计算器。一种稍微复杂一点的系统称为“在线”，其中传感器在输入端连接到计算机，计算机将使用数字显示或键入的指令向操作员提供指令。提供的最完整的系统是一个完全在线的系统，可直接控制各种设定点，其中计算机连接到输入和输出。[30,41]

转换器

转炉炼钢和连铸经过了较长时间的发展，在 20 世纪 40 年代逐渐成熟，并在 20 世纪 50 年代开始商业化。这两项先进、快速的炼钢技术的引入，大大提高了产量，缩短了工艺生产周期。[42]

1952-1953年，奥地利钢铁公司VOEST和AMG将碱性氧气炼钢工艺商业化，降低了工厂的资本成本和冶炼时间，提高了劳动生产率。1954年末，美国第一台氧气转炉由密歇根州特伦顿的麦克劳斯钢铁公司投入使用。当时，该公司在全国钢铁市场的份额不到1%。他们还于1963年安装了一台实验性的连铸机，这是美国第一家这样做的工厂。到1970年，全球一半的钢铁产量和日本80%的钢铁产量都是在转炉中生产的。图6显示，从20世纪50年代初到60年代末，转炉BOF的处理时间急剧缩短了一半以上，这可能部分是由于早期采用了计算机（主要作为监控系统）。[43-45]

图6 转炉（BOF）与连铸机（CC）的组合缩短了钢铁生产加工时间[45]

值得注意的是，在转炉炼钢工艺商业化后的十年内，转炉炼钢中安装了最多的计算机（表 3）。然而，这些设备中的大多数都具有数据记录和监控功能。在 20 世纪 60 年代中期，一些系统包括直接计算机控制氧气流量和氧枪位置，以及炉渣和合金添加。这些后期模型包括开环预测和反馈自适应（前炉的信息用于后炉）过程控制。所有以前的模型都是使用实验得出的数学关系的直接预测系统。尚未尝试对过程进行严格的直接闭环控制。由于无法连续测量熔池中的碳含量和钢的温度，该行业无法实现转炉的连续闭环控制。计算机还连接到实验室的直接发射光谱仪，并根据存储的程序实际执行分析计算。这种类型的首次安装是在 1964 年，尽管当时带有备用氧气分析仪的在线质谱仪并不十分可靠。 [30,39,46,47]

连铸

1949 年，企业家 Rossi 向 Allegheny Ludlum 提供了他的第一台钢铸造机。连铸的吸引力在于它省去了许多工艺步骤，节省了时间、能源和加工成本。在连铸的最初几年里，并没有大规模的自动化，Rossi 说：“在 Metalcast Corp. 的方法中，没有电子或电视控制。”早期连铸机上的主要仪器记录了钢包温度、铸造速度，并指示或记录了主水管中的水流量。[48-50]

到 20 世纪 60 年代中期，连铸厂的数量呈指数级增长（图 7），人们认为，正确使用仪器测量金属和介质质量流量和温度变量可以减少连铸的启动时间，并在短时间内实现最大生产率，同时提供人身安全和设备保护。据报道，BOF 和 CC 先进技术的引入大大提高了产量并缩短了工艺周期，但也严重限制了生产过程的手动控制和传统通信技术。这些矛盾导致人们对使用数字计算机进行更好的生产规划、过程控制和报告特别感兴趣，特别是在两个领域：减少文书工作以优化冶金和物理计算，以及使用计算机系统将工厂订单信息与实时过程事件联系起来进行过程控制。尽管 BOF 或 CC 工厂的仪器成本约占项目总成本的 1.5%，但钢厂不愿投资合适的仪器。[42,51,52]

图 7 连铸产能增长[53]

计算机过程控制（表3）

根据Control Engineering的说法，1965年的“实际控制计算机”数量最多的是热带厂（HSM），其次是逆转热磨坊和连续滚动线路的贡献，尤其是高生产率和高产品价值的贡献，尤其是用于热带的产品，并提供了经济奖励，并提供了广泛的自动化和控制方面的工作。

在1960年代初期，美国有许多用于热带厂的HSM，除了警报功能，数据记录和报告功能外，麦克斯钢铁公司首先使用计算机来控制1962年的热条件，然后使用GE 312的填充层，并将其置于台式填充时。一般的产品滚筒是该应用的主要计算机供应商。 Middletown在1967年构建时，使用了86英寸的热条磨机。该系统由宿主计算机和四个卫星计算机组成，由Westinghouse提供，主机的功能是：平板加载到平板负载。 IL输送机的位置调整。所使用的计算机系统的一些重点是：PCB的总数超过了2000，这导致了故障排除问题，替换零件很难找到，主要是由于逻辑循环中的也不发达，主要是在机器上使用机器来替换了任何一个问题。在其他一些热带磨坊应用中，许多关键控制通常是在1960年代初期由计算机完成的，如参考文献1、21、39和54-57所述。

在1965年使用计算机的14条处理线路中，第一个真正的在线计算机系统是J＆L钢铁公司的退火线。初始操作开始于1960年，但计算机需要在1963年进行升级的内存，最终的闭环程序是在运算范围内使用的。最近的磨坊产品线圈订单的增加[30,39]

自1960年以来，使用卡程序（带有静态逻辑电路的打孔卡）来控制原材料的处理（BF）。还提到的是通过控制爆炸流，温度和氧气含量的在线优化。

在表3中提到的7台串联式式台式厂（TCM）的计算机应用程序中，最先进的系统是在美国钢铁公司的Fairfield工厂中安装的。

有疑问

人类的弱点是在各种期刊上发表钢铁的成功案例，而成功的故事是在钢铁行业中引入第一个计算机的情况，而成功的安装却是在整个元素中，但在钢铁行业中却毫无意义。即使在1960年代后期，钢铁行业的采用也不是一个有意识的管理决策，而不是使用手动控制。改变钢厂的行为。此外，相关硬件中的任何更改（添加/替换）都需要对非标准软件进行修改，并且在需要时，在需要时，没有足够的合格人员。

最早的商业半导体固态计算机

表4显示了1960年结束时交付的最早的商业半导体固态计算机。这是32个磁鼓记忆，这是一台大型计算机。

表4最早的商业固体计算机是在1960年底之前交付的[32]

在1970年代

在1970年代，这是计算机技术进度的重要里程碑。

微处理器（μp）是一台计算机，该计算机是单个集成电路（ICS）的逻辑和顺序的逻辑，可用于许多晶体管的逻辑。 P. [62]

PLC是一种耐用的计算机，适用于工业环境，易于编程和过程诊断。

DC使用大量的控制电路，其中单个控制器在整个系统中分布，与DCS和DC之间的控制室之间的差异。宣布[65-67]

图8前分布控制系统（DCS）时代的中央控制室。

图9 DCS控制室，工厂信息和控制室在集中式计算机图形屏幕上显示（Wikipedia图片）

分类

钢铁厂的层次控制系统早在1961年就不是新鲜的5.该标准是基于普渡大学的计算机辅助制造业参考模型（分层表格），并由国际汽车协会作为主管的能力出版，而不是机器节奏的参与者。

图10 Hualing控制系统（Wikipedia图片）

图11热滚带滚动机的分层系统和时间尺度[72]

日本的崛起

在钢铁生产和技术领域很长时间，在1970年代初期，这两个领域开始下降。

截至1979年1月，日本48个钢制制造商使用的计算机总数为871个单位，其中684个是一台流程计算机，159台单元是商业计算机。

图12劳动生产力的比较[74]

1986年，印度钢铁管理公司的一组工程师访问了Oghishima项目（NKK）。 ）40,000个传感器；

具有计算机控制的主要设施包括：

L JIAO烤箱：最重要的控制系统是计算机化燃烧控制系统（CCC），该系统是由NKK开发和专利的。

LBF：有广泛的工具来诊断其内部操作条件。

l传输炉：提供动态控制系统，以确定终点的末端。

l热连接的钢制滚动机HSM：五个处理计算机使用多个工艺控制模型来实现整个操作的高自动化，自1979年推出以来，标签/标签读取系统。

污染预防措施在各个地方广泛实施。

其他日本钢厂的例子：

截至1977年，日本的五个主要钢铁制造商（3250万吨），NKK（1470万吨），sumitomo Metal Indusstries（1340万吨）和川崎钢铁公司（Kawasaki Steel Corp.）为了纠正中间测量和终点之间的偏差，使用了至少两个模型：脱轴速率和温度上升速率。

New Railway的大型OITA钢铁工厂在1971年安装了88英寸（2250mm）的宽带钢滚动机，包括1960年代后期，低投资回报的自动

大米的例子

从1970年代初开始，计算机技术和使用已进行了全面的改进。

在连续的铸造控制过程中，铸件的冷却过程和两个冷的喷嘴的冷却是复杂的，它是第一个使用数字计算机控制第二个冷水系统的冷却系统。

自1960年代以来，Jones＆Laughlin Corp.一直处于Mi Guo计算机的最前沿。

尽管在1960年代初期，对热滚动机的计算机化是优先的，但是冷滚动机的使用有点晚，因为在生产链中尽早控制产品是非常合乎逻辑的。

来自欧洲的例子

在1971年开发了微型和小型计算机后，制造了较小的，较小的成本和更快的系统，用于直接对高速工业过程的数字控制。从饲料到加热炉以完成滚动的整个操作，Cornigliano 2在1979年进行了转换。

1980年代和1990年代起飞

在20世纪的最后20年中，它目睹了计算机硬件的疯狂开发：摩尔定律预测，较高的电路集成，内存能力和更快的运行速度已将数字革命促进了行业4.0。

图13硬件和软件成本趋势[92]

基于PC的工业系统：

1981年，IBM推出了个人计算机体系结构的大规模市场标准，该系统是基于640 K的个人计算机，并运行MS-DOS驱动器。操作系统以及友好且易于使用的HMI开发软件。

图形用户界面（GUI）：

GUI代表了HMI方法的飞跃。

软件移植：

为了应对1983年钢铁行业管理方的关注，AISE开始研究软件的便携性。

l强调七个领域以制定标准以增强软件的移植性。

l一般软件包提供了高级别的命令结构。

l软件移植中的大多数努力都是针对操作系统，编译器和相关实用程序，以启用独立计算机硬件的应用程序。

l随着新硬件和软件平台的出现，软件移植性仍然是一个问题。

嵌入式系统：

Intel 4004是为计算器和其他小型系统而设计的，但它仍然需要外部内存和支持芯片。

20 世纪 80 年代和 90 年代

在1980年代和1990年代，这是在世界各地的钢铁行业中使用的。铁和钢制过程的内部条件一次安装了分层网络。

表5计算机过程控制对钢厂生长因子的影响[92]

Jiao Oven（CO）：

Since the 1980s, many coke furnaces have begun to use computer systems with higher computerization. The most complicated system, including the five -program computers (PDP11/44), 15 PLCs on the extinguishing car, and a complex communication system. The functions include process control, coking room chain, machine control, and extensive alarm function (~ 8,000 alarms). The reasons for the backward coking technology are: the coking technology of nearly a century can no longer meet the requirements of modern society; the decline in blast furnace coke consumption leads to stagnation of coke oven investment; the long life of coke factories means that the factory manager usually has only one chance to rebuild or renovate the coking furnace factory in his career. In the end, it is not the most important thing. ) Usually it works in the hierarchical system of steel plants, so the priority rights obtained in the distribution of funds are lower. [99-102]

高炉：

到1990年代中期，该模型广泛使用了Voest-Alpine Stahl GmbH的爆炸炉，以估算非孔炉监督模型，硅的预测模型，热空气炉控制模型，熔炉控制模型和动态工艺模拟。

转移炉和梁：

在此期间，钢制和连续的铸造见证了更高级别的计算机系统以更好地协调这些设施，包括11个Allen-Bradley Plc3，约有100个PLC由一流的计算机控制控制。

加拿大多法斯科铁和钢铁公司是北美著名的钢铁制造商之一，使用其各种设施中的最新技术。

热滚动宽带钢滚动机：

由于使用新一代计算机的建模和控制设施，在1980年代和1990年代，它目睹了宽带钢铁公司的计算机化，而LTV Iron and Steel Companies则至少发表了3份策略。生产力和质量，没有启动曲线。

冷滚动单元：

除了先进的在线模型实施外，冷滚动单元的TCM相对复杂，以实现严格的钢制质量，新的滚动机器硬件（液压厚度控制系统HAGC，薄钢厚度控制，板块厚度控制，板凸和底板控制设备）在1988年，日本紧凑型钢制的设备都可以进行。 13行以最大化软件的移植性并在应用程序，I/OS和工作站之间开发统一的通信系统。

基于人工智能的系统

数学建模是一开始控制许多流程的工具，日本，MI和欧洲的许多地方都在尝试人工智能（AI）技术，以获得更好的解决方案。

专家系统（ESS）是第一个真正的人工智能软件，在1990年代初期，ES在钢铁行业中的应用。

在1989年，AI方法最多。工厂已经开发了一个ES，可以在40分钟内完成90天的混合计划，而无需专家干预。

但是，众所周知，在本世纪的交往中，大多数（90％）的工业控制应用仍然取决于各种形式的PID控制器。

滚动产品在线质量控制

传统的方法（表面缺陷和机械性能）是从滚动头和尾部剪下几米，并完成样品样本以确定质量的质量（ASIS）。九家钢铁公司和3家铝制公司与两个商业组织合作，开始了一个基于视觉的钢铁表面测试项目。

使用在线方法检测和控制整个钢的机械性能，这需要性能预测，然后将质量评估系统与调度和过程控制结合在一起。

远程诊断

随着当今工业系统的复杂性，在某些情况下，运营/维护人员或专家无法解决该问题在大多数情况下，使用电话/调制解调器连接可以解决问题。

中国，韩国和印度的崛起

到1980年代结束时，韩国和印度的钢铁产量在中国继续增加（表2）。

韩国在1960年代鼓励了外国技术，并在韩国进行了钢铁的发展。

钢铁是在库里蒂（Tatta Iron and Steel）的孟加拉国铁工厂（Tatta Iron and Steel）建造的第一个爆炸炉，这是1875年孟加拉国铁工厂建造的第一个爆炸炉。在39年内，它在大英帝国中经营着最大的钢铁工厂。 1947年独立后，20世纪50年代中期，在Rourkela, Bhilai和Durgapur建立了三家综合钢铁厂，作为政府公共部门企业。20世纪80年代，印度钢铁工业处于十字路口。自1991年自由化政策启动以来，私营企业参与印度钢铁生产的比例稳步上升，2000年达到68%。然而，截至2000年，印度人均粗钢消费量为27公斤，到2021年上升到70公斤，印度在2018年成为第二大粗钢生产国。虽然有许多新工厂采用了最先进的技术，但老工厂已用最新的系统使其生产装置现代化。[141-143]

污染控制的

钢铁深深扎根于我们的社会。房屋、学校、医院、桥梁、汽车和卡车的建设——仅举几个例子——严重地依赖钢铁。然而，该行业目前占全球最终能源需求的8%左右，占能源部门二氧化碳排放量的7%(在重工业中最高)，这个问题非常明显。长期以来，能源的广泛使用，特别是煤/焦炭的广泛使用，一直被认为是造成这种状况的主要原因之一。长期以来，污染的产生问题一直引起钢铁企业的关注。例如，1994年举行的“钢铁的制造、成型和处理”研讨会报告称，米国钢铁工业每年将15%的资本投资用于环境控制。会议还重点介绍了由米国钢铁协会/米国钢铁协会资助的各种正在进行的项目其中最主要的是取代高炉和焦炉长流程的环保工艺。

钢铁是目前使用的回收利用率最高的材料之一。用废钢生产钢铁所需的能源大约是用铁矿石生产钢铁所需能源的八分之一——主要是以电力的形式。然而，仅靠废钢无法满足该行业的原材料投入需求，因为钢铁产量增长迅速，钢铁产品的寿命通常较长。据了解，更有效地利用能源和材料可以有所帮助，但还不够。众所周知，新的替代炼钢工艺至关重要，但没有单一的正确答案。氢(低碳)、碳捕获利用和储存(CCUS)、生物能源和直接电气化都是实现炼钢深度减排的途径，目前正在探索多种新的工艺设计。[144,145]

后记

21世纪钢铁行业的福祉将取决于三个先决条件：

•开发和安装符合日益严格的碳足迹规范的大规模有竞争力的绿色制造工艺。

•在运营和服务中采用端到端数字化流程，释放数据潜力。

•迎合社会不断变化的社会和文化规范。

预计以碳税的形式反对碳排放的公共政策可能会极大地影响现有生产方法的组织的盈利能力。因此，关键是在整个行业采用绿色技术，特别是在拥有大型生产基地的国家。钢铁工艺设备的生命周期往往较长。由于下一个投资周期至少要在新电厂建成后的20年内才会出现，如果不能及时过渡，可能会威胁到政府实现净零排放目标的承诺。对于包括钢铁、水泥、化石天然气和化工在内的某些行业来说，脱碳的途径并不十分明显。因此，所有利益相关者都需要给予更多的关注。此外，过程的替换/扩充可能代价高昂，需要指导，并且可能在技术上具有挑战性。

利用数字化和跨行业数据的潜力将是未来成功运营的关键因素。这将要求最大限度地使用工业4.0(也许是工业5.0?)技术。数字化集成产品和服务将成为新常态。自动运输将是未来工厂内货物和人员流动的主要发展方向。此外，机器人操作将取代在车间工作的员工。到2050年，大部分电厂的运行将由虚拟和远程控制。维护、过程开发和紧急情况将是人类与过程直接交互的主要原因。为了加强不同流程之间的沟通、协作和数据流，数字控制管理器将全部集中在一起。智能材料将能够将其属性直接传达给供应工厂的机器，以及客户的加工步骤。这将在很大程度上改变供应商与客户之间的互动和关系。虽然所有这些看起来都很吸引人，但它们的实现方式与20世纪50年代计算机被引入钢铁制造业的方式类似。当时谁能想到，在20世纪80年代，HSM的自动操作会成为一件司空见惯的事情?然而，带来这样的变化将是开创性的，特别是对于那些习惯于旧工作方式的老工厂。

到2050年，社会及其文化将发生结构性转变。消费者对产品和服务标准的要求将被我们今天无法理解的趋势彻底改变。到2050年，全球人口将增长约25%，超过68%的人口(主要是中产阶级)(2018年为55%)将生活在城市地区，与基础设施发展(建筑和交通)相关的行业将产生相应的需求。与此同时，在设备管理和维护方面寻找合适的人才将是一个挑战。在城市地区以外的偏远工厂，加上IT和生物技术等热门行业的拉动因素，如果没有知名品牌的就业机会，将是一个挑战。许多现代钢厂，如中国包头钢厂，韩国的浦项制铁，还有一些正在改变他们的工作场所和文化，堪比任何其他从事生产的现代工业(图14和15)。这将是未来的趋势。[146-148]

图14 NASA的控制室吗?不，这是中国包头钢铁公司的总控室[150]

图15虚拟导航很快就会成为现实[150]

然而，尽管上述情景看起来令人生畏，但据世界钢铁协会(World Steel Association)称，“钢铁在我们生活中无处不在是有原因的。钢铁是伟大的合作者，与所有其他材料一起促进增长和发展。钢铁是过去100年进步的基础。钢铁对于迎接未来100年的挑战同样至关重要。钢是所有建筑材料中最经济、强度重量比最高的。每年都有新的、更好的炼钢方法被发明出来。1937年，建造金门大桥需要83000吨钢材。今天，只需要这个数额的一半。毫无疑问，今天使用的75%以上的钢材在20年前是不存在的。目前还看不到钢铁的替代品，而且在几十年内也不可能大量出现。面对各种挑战，钢铁行业总是能取得成功，30年后也不会有什么不同。

在计算机进入钢铁行业100年后，那些有幸参观钢铁厂的钢铁老人们会惊讶地发现，从远处看，工厂没有排放物，他们会奇怪为什么整个工厂都处于停滞状态！仔细一看，他们会发现所有的机器在没有人在车间的情况下都能完美地工作。如果他们碰巧在进行预测性维护时在场，他们可能会注意到一些人正在使用未知的机器人机器进行维护工作。然而，如果他们参观一个控制室，他们可能会被所有显示各种繁忙的制造活动的屏幕弄得眼花缭乱，一些数字控制经理碰巧正在与一些屏幕进行交互。

致谢

作者非常感谢印度兰奇钢铁管理局有限公司钢铁研究与开发中心，特别是他们的通讯主管Ujjal Bhaskar，因为他提供了畅通无阻地进入他们图书馆的机会。此外，如果没有paul Thomas (Ujjal Bhaskar的助手)的帮助，他从存档卷中组织整理和复制选定的论文部分，这篇文章将不可能取得任何进展。作者感谢他在RDCIS的前同事Debasis mukkerjee和Kailash Kothari提供的宝贵建议。

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作者

Nirbhar Neogi：Retired, R&D Centre for Iron & Steel, Steel Authority of India Ltd., Ranchi, JH, India

【译者按】唐杰民2024年8月中旬在安徽黄山屯溪翻译自某国《钢铁技术》今年第8期，水平有限，翻译不准之处请各位看官给予指正。

文章不错，对了解钢铁工业的发展有用，值得一读。