高爐煉鐵資源優(yōu)化模型的研究與應(yīng)用

1、高爐煉鐵資源優(yōu)化模型的研究與應(yīng)用    摘要： 我國鋼鐵生產(chǎn)突飛猛進(jìn)，高爐生產(chǎn)在各方面取得了顯著進(jìn)步，但在資源和能源利用率及環(huán)保等方面還有很大差距。本文以成本最優(yōu)為目標(biāo)，提出了高爐優(yōu)化配比模型，該模型可快速、準(zhǔn)確計(jì)算出滿足目標(biāo)要求又兼顧降低資源消耗和減少環(huán)境污染的優(yōu)化配比方案。比較了應(yīng)用高爐優(yōu)化配礦模型前后的煉鐵成本、礦石單耗和噸鐵爐渣量等數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，高爐優(yōu)化配比模型的應(yīng)用，降低了噸鐵生產(chǎn)成本，節(jié)約了資源，減少了排放，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。 Abstract： With the steel production developing by l

2、eaps and bounds in our country， Blast furnace has achieved remarkable progress in various aspects， but it also has the very big gap in the utilization rat of resources and energy and environmental protection. In this article， it puts forward the optimization ratio model of blast furnace according th

3、e target of the optimal cost， and it can calculate the optimization ratio scheme of meeting the goal request and also considering reducing resource consumption and environmental pollution. It compares the data of the cost of pig iron， the consumption of ore and the quantity of blast furnace slag whi

4、ch is from before and after of applying the optimization ratio model of blast furnace. The results show that it reduces the cost of tons pig iron， economizes resources， reduces the emissions， and obtains better economic benefits and environmental benefits because of applying the optimization ratio m

5、odel of blast furnace. 關(guān)鍵詞： 高爐煉鐵；成本最優(yōu)；優(yōu)化配比 Key words： blast furnace；the optimal cost；the optimal ratio 中圖分類號(hào)：TF5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）13-0047-03 作者簡介：馬光銀（1991-），男，貴州甕安人，本科生在讀，研究方向?yàn)橐苯鹪O(shè)備管理。 0 引言 我國鋼鐵生產(chǎn)突飛猛進(jìn)，在2005年生鐵產(chǎn)量達(dá)到了3.3040億噸1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界鋼鐵大國歷史最高產(chǎn)量，成為世界鋼鐵生產(chǎn)第一大國。 從我國高爐生產(chǎn)主要技術(shù)指標(biāo)的變化情況來看，我國高爐生產(chǎn)各方面取得了顯著

6、進(jìn)步，但在資源和能源利用率、高爐大型化、提高產(chǎn)業(yè)集中度以及環(huán)保等方面還有很大差距，有待進(jìn)一步提高，努力向鋼鐵強(qiáng)國邁進(jìn)1。 現(xiàn)代高爐的基本爐料有燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和天然塊礦3種，所謂爐料配比就是指上述3中爐料的搭配2，3。含鐵爐料的合理搭配使用對(duì)控制入爐礦品位，改善原料的冶金性能，促進(jìn)高爐爐況順行等有很大的影響；含鐵爐料的合理搭配使用可以提高入爐礦品位，使熔劑用量和爐渣量減少，礦石消耗以及單位能量降低等；可以改善原料冶金性能如原料還原性、料柱透氣性和造渣性能等；可以促進(jìn)高爐熱制度穩(wěn)定和高爐爐況順行，實(shí)現(xiàn)高爐“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、長壽、環(huán)境友好”的生產(chǎn)方針。 爐料配比受到很多復(fù)雜因素的影響，與煉鐵科學(xué)技

7、術(shù)進(jìn)步的發(fā)展密切相關(guān)的。每個(gè)高爐的爐料配比都是根據(jù)本企業(yè)所能獲得自然資源的條件（品級(jí)和價(jià)格）、鐵礦石的冶金性能和物理化學(xué)成分，以及高爐煉鐵成本等方面因素來進(jìn)行選擇的。對(duì)于煉鐵企業(yè)來說，追求最大的經(jīng)濟(jì)效益，并實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好是其最終目標(biāo)。因此，除了技術(shù)方面的因素之外，主要是經(jīng)濟(jì)效益的因素影響著高爐煉鐵的合理爐料配比3。今天我們研究高爐爐料配比的目的在于合理的利用本國和世界的鐵礦石資源，使高爐冶煉技術(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，最終求得最大限度的降低生鐵的成本。 我國高爐煉鐵是生鐵的主要來源，占總生鐵產(chǎn)量的90%以上4。對(duì)高爐煉鐵成本構(gòu)成進(jìn)行分析，以及世界鐵礦石資源價(jià)格上漲的影響，可知爐料搭配是否合理對(duì)煉鐵工序成本

8、影響很大5。而以往對(duì)爐料結(jié)構(gòu)的研究大多停留在定性分析，如提出合理的入爐原料就是無熔劑或少熔劑的情況下造出適宜堿度和成分的爐渣、要求具有良好的高溫冶金性能，能在高爐內(nèi)形成合理穩(wěn)定的軟熔帶等等。這些定性分析的確是高爐入爐原料研究的原則，但是對(duì)于鋼鐵企業(yè)來說，從這些原則中找不到具體的爐料配比5，6 。 基于此類問題，本文以成本最優(yōu)為目標(biāo)，提出了高爐優(yōu)化配礦模型。該模型可快速、準(zhǔn)確計(jì)算出滿足指定約束條件下成本最優(yōu)又兼顧降低資源消耗和減少環(huán)境污染的優(yōu)化配比方案。高爐優(yōu)化配礦模型應(yīng)用于某鋼鐵企業(yè)效果很好，降低了噸鐵生產(chǎn)成本，節(jié)約了資源，減少了排放，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。 1 高爐優(yōu)化配礦數(shù)學(xué)模型的

9、建立 1.1 高爐優(yōu)化配礦模型的設(shè)計(jì)思路 本模型的設(shè)計(jì)，以原料內(nèi)部價(jià)格為基礎(chǔ)，以噸鐵成本最低為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合高爐爐料結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，建立幾個(gè)約束條件7，8，通過優(yōu)化配料模型計(jì)算出成本最優(yōu)的配料方案。 1.2 優(yōu)化配礦模型描述 高爐爐料配比優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可簡化為熟料、生料、燃料（包括焦炭和煤粉）的總費(fèi)用，使這一總成本費(fèi)用最低的方案即為最優(yōu)方案。高爐配礦優(yōu)化模型是采用線性規(guī)劃方法，以原料內(nèi)部價(jià)格為基礎(chǔ)，優(yōu)化入爐原料的配比，在滿足化學(xué)成分約束和爐渣堿度約束等條件下，使高爐煉鐵成本費(fèi)用（即煉鐵成本）達(dá)到最低。模型中所用原料名稱及編號(hào)和原料所含成分名稱及編號(hào)，如表1、表2所示。 1.3 優(yōu)化配礦計(jì)算的數(shù)

10、學(xué)模型 1.3.1 目標(biāo)函數(shù) 高爐配礦的原料包括燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、其他外購鐵礦石、焦炭和煤。以內(nèi)部價(jià)格為基礎(chǔ)，有供應(yīng)量限制，一噸生鐵的成本最低，即 MinZ=+（1） 式中，MinZ 表示噸鐵最優(yōu)成本； x表示第i種原材料的配比百分比； p表示第i種原材料的單位內(nèi)部價(jià)格（元/噸）；aij表示第i種原材料的j元素含量百分比；？準(zhǔn)表示鐵水中的純鐵含量（945，公斤/噸鐵水）；4表示鐵水收得率系數(shù) （0.963）；rjt表示焦比（公斤/噸鐵）；rmf表示煤比（公斤/噸鐵）。 1.3.2 約束條件 約束條件來自下面幾個(gè)方面：組分含量下限約束、原料供應(yīng)量約束、堿度的約束、原料配比百分比的約束等等。 1.3

11、.2.1 組分含量百分比上下限的約束 ？燮？燮j j=1-15（2） 式中，j 、分別表示第j種組分含量百分比上限和下限。hjt表示焦炭灰分（%）；hmf表示煤粉灰分（%）。 1.3.2.2 原料供應(yīng)量的約束 生產(chǎn)生鐵所消耗的原料應(yīng)小于等于工廠所能提供的原料量。 ？燮Si i=1-15（3） rjtQFe？燮1000S16 （4） rmfQFe？燮1000S17（5） 式中，QFe表示鐵產(chǎn)量（噸）；Si表示計(jì)劃期內(nèi)第i種原料可供量（噸）。 1.3.2.3 爐渣堿度約束 本模型中采用二元堿度 ？燮？燮（6） 式中，、 分別表示堿度上限和下限要求；hsi表示鐵水中Si含量（%），初始值0.45。

12、1.3.2.4 原料配比百分比上下限約束 ？燮xi？燮i（7） xi=100（8） xi？叟0（9） 式中，i、分別表示第i種原料配比百分比的上限和下限要求（%）。 2 算例與求解 2.1 算例 根據(jù)高爐配礦配比優(yōu)化模型，求在滿足Tfe成分約束和爐渣堿度限制情況下的最經(jīng)濟(jì)配比5，并計(jì)算其煉鐵成本。本文數(shù)據(jù)來源于某煉鐵廠的高爐車間實(shí)際生產(chǎn)的爐料數(shù)據(jù)。下表為高爐數(shù)據(jù)表輸入圖，原料編號(hào)1、3、10、11分別表示燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、2種外購鐵礦石，原料編號(hào)16、17分別為焦炭和煤粉。每種原料的Tfe、SiO2、CaO、P 、S、MgO、Al2O3 化學(xué)成分百分含量、原料內(nèi)部價(jià)格和約束限制條件，均在表3中。

13、 2.2 求解 使用本文建立的配比優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算，將上述數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型中，通過MATLAB軟件，可以計(jì)算得到以下結(jié)果，高爐配礦原料配比及成本如表4所示。 2.3 結(jié)果對(duì)比與分析 將優(yōu)化前后礦石配比代入相關(guān)公式計(jì)算得到高爐煉鐵相關(guān)數(shù)據(jù)，如表5。 經(jīng)表5數(shù)據(jù)比較分析可知（以日產(chǎn)量2000 t計(jì)算）： 使用本文建立的高爐集成配比優(yōu)化模型每噸可節(jié)約成本為10.12681元。應(yīng)用配礦配比優(yōu)化模型后的煉鐵成本每天可節(jié)約20253.62元，其煉鐵生產(chǎn)成本降低效果明顯。 礦石單耗可節(jié)約29.798 kg，煉鐵礦石原料可節(jié)約59596 kg，節(jié)約了資源，降低了煉鐵資源消耗。 噸鐵爐渣量減少了25.8993

14、kg，煉鐵需處理爐渣量減少51798.6 kg，減少了高爐煉鐵爐渣排放，降低了廢棄物排放對(duì)環(huán)境造成的影響。 3 結(jié)論與展望 3.1 在滿足生鐵質(zhì)量要求的前提下，基于成本最優(yōu)的配比模型的應(yīng)用，降低了煉鐵生產(chǎn)成本，節(jié)約了礦石資源，減少了煉鐵生產(chǎn)過程中廢棄物的排放，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。 3.2 當(dāng)前世界鐵礦石資源價(jià)格波動(dòng)較大，該模型可以為鋼鐵企業(yè)選擇礦石資源和節(jié)約成本，提供理論計(jì)算和依據(jù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)。 3.3 本文從經(jīng)濟(jì)角度研究了高爐爐料配比對(duì)高爐煉鐵生產(chǎn)的影響，后面將就高爐煉鐵主要輔料在加入的時(shí)間、空間、方式等屬性不一樣，對(duì)主料的資源轉(zhuǎn)化率以及高爐生產(chǎn)資源消耗和環(huán)境排放的影響進(jìn)行研

15、究，以期在最優(yōu)成本前提下實(shí)現(xiàn)高爐主輔料資源轉(zhuǎn)化率提高。 參考文獻(xiàn)： 1杜鶴桂.我國高爐煉鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀及未來發(fā)展分析J.鞍鋼技術(shù)，2006，5：1-5. 2Kaoru NAKANO；Kohei SUNAHARA；Takanobu INADA . Advanced Supporting System for Burden Distribution Control at Blast Furnace Top J. ISIJ International ， 2010， （50）7. 3宋延琦，李京社，唐海燕.新興鑄管高爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與研究J. 燒結(jié)球團(tuán)，2010，35（3）：14-16. 4梁中渝.煉鐵學(xué)M.北京：冶金出版社，2009. 5王煒，薛正良，陳畏林.高爐精料與煉鐵成本的關(guān)系研究J.中國冶金，2006，16（5）：41-43. 6余方超 ，王煒.高爐精料對(duì)煉鐵成本的影響J.安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18（4）：