任財軒1 李揚2 劉一山1 鄭明東1
（1.云南曲靖呈鋼鋼鐵（集團）有限公司；2.北京智冶互聯(lián)科技有限公司）
摘 要： 為了保證燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定，在利用呈鋼現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)從原料采購到燒結(jié)、高爐配礦一體化的思路，構(gòu)建了“模擬計算-生產(chǎn)跟蹤-效果反饋”全流程參與的在線配礦系統(tǒng)。配礦計算采用劃求解法，以燒結(jié)礦各原料的配比值、高爐生產(chǎn)各原料配比值為決策變量，以燒結(jié)和高爐的工藝質(zhì)量要求為約束條件，以配礦成本為目標(biāo)函數(shù)，同時得到混勻礦、燒結(jié)礦、高爐爐料結(jié)構(gòu)中各原料的配比值。應(yīng)用結(jié)果表明，配礦系統(tǒng)操作簡便、功能實用，保證了燒結(jié)質(zhì)量，減輕了配礦計算量，降低了配礦成本。同時對企業(yè)的采購和配礦流程的合理化改進起到了巨大的推動作用。
關(guān)鍵字： 優(yōu)化配礦系統(tǒng)；配礦方案追蹤；規(guī)劃求解
1 前言
受市場形勢影響，呈鋼自2017年以來配礦結(jié)構(gòu)由高比例進口富礦粉為主轉(zhuǎn)向以進口富礦粉與本地精粉相結(jié)合的結(jié)構(gòu)；且本地礦粉使用比例逐步提高。云南地區(qū)本地礦成分波動大、有害元素高，礦相復(fù)雜，且儲量?。贿@導(dǎo)致礦粉來源不穩(wěn)定，燒結(jié)礦原料經(jīng)常改變，燒結(jié)礦雜質(zhì)很多，對高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)造成了負面影響。
為了應(yīng)對配礦結(jié)構(gòu)改變造成的影響，在保證燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，得到最優(yōu)的經(jīng)濟效益，呈鋼建立了優(yōu)化配礦系統(tǒng)，整合企業(yè)內(nèi)部庫存系統(tǒng)、檢化驗系統(tǒng)、燒結(jié)生產(chǎn)系統(tǒng)、高爐生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)；通過“模擬計算-生產(chǎn)跟蹤-效果反饋”對配礦過程數(shù)據(jù)進行挖掘。保證了燒結(jié)質(zhì)量，提高了配礦效率，降低了配礦成本。
2 優(yōu)化配礦系統(tǒng)
2021年7月，北京智冶互聯(lián)技術(shù)團隊開發(fā)的優(yōu)化配礦系統(tǒng)在曲靖呈鋼投入了使用。系統(tǒng)由原料燃料源數(shù)據(jù)、配礦計劃制定、配礦方案追蹤三個主模塊構(gòu)成。
秉承著“優(yōu)化配礦技術(shù)，不只是燒結(jié)配礦的優(yōu)化，而是重在從原料采購到燒結(jié)、高爐配礦一體化的優(yōu)化”[1]的思想。呈鋼優(yōu)化配礦系統(tǒng)以大煉鐵產(chǎn)線成本流協(xié)同為宗旨，改變傳統(tǒng)的燒結(jié)、球團等工序各自為戰(zhàn)，實現(xiàn)“局部工序成本最優(yōu)”向以“全局產(chǎn)線成本最優(yōu)”目標(biāo)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)大煉鐵產(chǎn)線資源的優(yōu)化配置。
2.1原料燃料源數(shù)據(jù)
原燃料是配礦計算的基礎(chǔ)，呈鋼結(jié)合現(xiàn)場條件通過原燃料種類維護、檢化驗信息查詢、鐵礦粉燒結(jié)特性、入爐性價比測算四個模型對原燃料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了整合，如下圖所示：
(a)原燃料種類維護 (b) 檢化驗信息查詢
(c) 鐵礦粉燒結(jié)特性 (d) 入爐性價比測算
圖1 原料燃料源數(shù)據(jù)
原燃料種類維護：呈鋼原有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分類不符合配礦邏輯；系統(tǒng)對燒結(jié)用料和高爐用料進行重新分類整理，將配礦用原料分為鐵礦粉、鐵料、燒結(jié)燃料、燒結(jié)熔劑、焦炭、高爐煤粉、焦丁、球團、塊礦和高爐熔劑。以便于配礦計算的查詢和計算。
檢化驗信息查詢: 自動采集檢化驗信息一方面可以為配礦過程提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，另一方面可以避免人工填寫化驗值時的缺漏和錯誤，同時減輕配礦人員工作量，達到提高工作效率的目的。
鐵礦粉燒結(jié)特性: 總結(jié)呈鋼鐵礦粉的原料屬性、原料類別、化學(xué)成分特征、粒度及制粒特征、燒結(jié)特性等信息。
入爐性價比測算: 結(jié)合原料物理性能、化學(xué)性能、以及采購價格進行分析計算，得到鐵礦、球團和塊礦的入爐性價比[1]。
2.2配礦計劃制定
智能優(yōu)化配礦模型結(jié)合多種配礦理論[2-4]，依托于鐵礦粉燒結(jié)特性數(shù)據(jù)庫，利用規(guī)劃求解的思路[5-7]，以燒結(jié)礦各原料的配比值、高爐生產(chǎn)各原料配比值為決策變量，以工藝質(zhì)量要求為約束條件，以配礦成本為目標(biāo)函數(shù)，同時得到混勻礦、燒結(jié)礦、高爐爐料結(jié)構(gòu)中各原料的配比值。
配礦計劃制定模塊的主要功能是根據(jù)燒結(jié)工序需求、高爐工序?qū)υ系男枨?，自動計算燒結(jié)混勻料單、燒結(jié)配礦料單、高爐爐料結(jié)構(gòu)以及其他相關(guān)經(jīng)濟質(zhì)量參數(shù)。并提供計算結(jié)果的查詢和對比，如下圖所示：
(a)方案查詢提交 (b) 方案指標(biāo)對比
圖2 配礦計劃制定
2.3配礦方案追蹤
系統(tǒng)制定的配礦方案能否正常執(zhí)行，執(zhí)行后的產(chǎn)質(zhì)量能否達到期望，是配礦人員關(guān)心的問題。不同的燒結(jié)配礦方案，可能對應(yīng)不同的燒結(jié)工藝操作參數(shù)和燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)。
呈鋼配礦方案追蹤模塊收集燒結(jié)配礦方案及方案執(zhí)行期間的燒結(jié)和高爐的工藝操作參數(shù)及質(zhì)量指標(biāo)變化情況。
圖3 配礦方案追蹤
在工業(yè)智能制造技術(shù)逐步推進和普及的今天，對鋼鐵企業(yè)內(nèi)配礦數(shù)據(jù)進行多維度深度挖掘，使“沉睡”的數(shù)據(jù)發(fā)揮出應(yīng)有的價值是大勢所趨。一方面可以極大解放配礦技術(shù)人員的工作，另一方面從數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)挖掘方面，使企業(yè)對冶金規(guī)律的認識得到很大的提高[8]。
3 系統(tǒng)應(yīng)用
3.1 優(yōu)化配礦
下表是呈鋼2021年7月第一次配礦的混勻配料單和燒結(jié)配料單：
|
表1 混勻礦配料計算 |
|
||||||||||||
|
品 種 |
配比 |
TFe |
SiO2 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
燒損 |
P |
S |
K2O |
Na2O |
ZnO |
單價 |
|
OA粉 |
10.0 |
62.00 |
3.86 |
0.04 |
0.05 |
2.21 |
5.50 |
0.115 |
0.058 |
0.030 |
0.010 |
0.001 |
1850 |
|
本地粉1 |
10.0 |
64.21 |
3.40 |
0.93 |
1.81 |
1.20 |
-1.50 |
0.015 |
0.763 |
0.090 |
0.017 |
0.041 |
1480 |
|
OB粉 |
14.0 |
62.00 |
3.86 |
0.04 |
0.05 |
2.21 |
4.20 |
0.115 |
0.058 |
0.030 |
0.010 |
0.001 |
1850 |
|
本地粉2 |
15.0 |
62.29 |
3.90 |
1.58 |
0.70 |
1.20 |
0.68 |
0.012 |
0.420 |
0.150 |
0.030 |
0.055 |
1270 |
|
本地粉3 |
6.0 |
42.01 |
6.73 |
2.63 |
2.51 |
1.36 |
29.00 |
0.02 |
1.202 |
0.338 |
0.076 |
0.039 |
570 |
|
OC粉 |
17.0 |
63.65 |
6.18 |
0.20 |
0.03 |
1.48 |
2.00 |
0.08 |
0.026 |
0.218 |
0.013 |
0.001 |
1800 |
|
本地粉4 |
3.0 |
51.26 |
4.09 |
2.23 |
0.75 |
6.82 |
4.51 |
0.027 |
0.138 |
0.104 |
0.225 |
0.007 |
460 |
|
污泥返礦 |
25.0 |
55.72 |
5.40 |
11.69 |
2.32 |
1.70 |
0.00 |
0.059 |
0.088 |
0.099 |
0.001 |
0.133 |
800 |
|
表2 燒結(jié)配料計算 |
|
||||||||||||
|
品 種 |
配比 |
Tfe |
SiO2 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
燒損 |
P |
S |
K2O |
Na2O |
ZnO |
單價 |
|
混勻礦 |
83.25 |
59.45 |
4.78 |
3.52 |
1.06 |
1.79 |
3.31 |
0.06 |
0.26 |
0.12 |
0.02 |
0.05 |
|
|
生石灰 |
5.6 |
0.00 |
1.04 |
90.52 |
1.65 |
1.10 |
10.00 |
0.000 |
0.09 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
450 |
|
白云石粉 |
6.6 |
0.00 |
1.50 |
30.00 |
19.00 |
1.10 |
46.00 |
0.000 |
0.00 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
90 |
|
焦粉 |
4.5 |
0.00 |
7.1 |
0.7 |
0.45 |
4.10 |
80 |
0.100 |
1.500 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
1200 |
|
合計 |
100.00 |
49.49 |
4.46 |
10.04 |
2.25 |
1.81 |
9.96 |
0.06 |
0.29 |
0.10 |
0.02 |
0.04 |
|
|
燒結(jié)礦 |
100.0 |
54.97 |
4.95 |
11.16 |
2.50 |
2.01 |
|
0.062 |
0.048 |
0.115 |
0.021 |
0.045 |
|
根據(jù)以上原料條件，在下述附加約束的前提下，采用優(yōu)化配礦系統(tǒng)進行了三組優(yōu)化作為7月第二次配礦的備選方案。
約束條件如下：
1）配礦方案穩(wěn)定性，本次方案在原方案基礎(chǔ)上原料特性波動不超過6%；
2）高爐爐料結(jié)構(gòu)延續(xù)原方案策略；
3）高爐渣鐵主成分，有害元素入爐負荷相比原方案不發(fā)生惡化
4）本地粉2受資源限制，最多只能配加15%；
5） OC粉受資源限制，最多只能配加19%；
6）污泥返礦為廠內(nèi)循環(huán)資源，固定使用量為25%；
7）本地粉3受燒結(jié)特性約束，最多配加6%；
8）燒結(jié)成分盡可能與原方案保持一致。
優(yōu)化結(jié)果如表3和圖4所示：
表3 優(yōu)化方案對比
|
品 種 |
原方案 |
優(yōu)化1 |
優(yōu)化2 |
優(yōu)化3 |
|
OA粉 |
10.0 |
11.8 |
8.6 |
11.2 |
|
本地粉1 |
10.0 |
10.9 |
10.8 |
8.5 |
|
OB粉 |
14.0 |
10.0 |
12.4 |
10.0 |
|
本地粉2 |
15.0 |
15.0 |
15.0 |
15.0 |
|
本地粉3 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
6.0 |
|
OC粉 |
17.0 |
18.2 |
19.0 |
18.8 |
|
本地粉4 |
3.0 |
3.1 |
3.2 |
2.5 |
|
污泥返礦 |
25.0 |
25.0 |
25.0 |
25.0 |
|
本地粉5 |
0.0 |
0.0 |
0.0 |
3.0 |
|
生石灰 |
5.6 |
5.7 |
5.7 |
5.7 |
|
白云石粉 |
6.6 |
6.6 |
6.6 |
6.6 |
|
焦粉 |
4.5 |
4.5 |
4.5 |
4.5 |
圖4 優(yōu)化結(jié)果對比
優(yōu)化效果分析：
優(yōu)化方案1：不改變礦粉種類，只改變礦粉間配比關(guān)系。
結(jié)果：提升了OA粉1.8%，1#本地粉0.9%，OC粉1.2%，替代部分OB粉。在燒結(jié)礦成分相近的情況下，燒結(jié)礦配礦成本降低5.5元/噸，噸鐵成本降低7.15元/噸。
優(yōu)化方案2：不改變礦粉種類，只改變礦粉間配比關(guān)系，且將品位約束范圍拓展到0%到100%。
結(jié)果：本地粉1提升了0.8%，OC粉提升了2%，替代部分紐曼粉和PB粉。在燒結(jié)礦品位略有降低，其他成分相近的情況下，燒結(jié)礦配礦成本在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上再降低2.6元/噸，噸鐵成本降低3.3元/噸。
優(yōu)化方案3：將市場上待采購的兩種礦粉加入配礦體系，且根據(jù)采購需求約束新料種配比不超過3%。新礦種成分如下表所示：
表4 新增礦粉成分
|
品 種 |
TFe |
SiO2 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
燒損 |
P |
S |
K2O |
Na2O |
單價 |
|
本地粉5 |
58.93 |
3.59 |
1.67 |
0.88 |
2.33 |
6.35 |
0.017 |
0.440 |
0.138 |
0.696 |
760 |
|
本地粉6 |
47.45 |
15.98 |
0.48 |
0.23 |
2.57 |
8.07 |
0.096 |
0.900 |
0.437 |
0.014 |
600 |
結(jié)果：系統(tǒng)自動選擇了新增3%本地粉5，同時提升了OA粉1.2%，OC粉1.8%，替代部本地粉1和OB粉。在燒結(jié)礦成分相近的情況下，燒結(jié)礦配礦成本相比于原方案降低18.67元/噸，噸鐵成本降低24.2元/噸。
3.2方案執(zhí)行
根據(jù)上述配礦優(yōu)化結(jié)果，燒結(jié)廠決定執(zhí)行優(yōu)化方案2，并對采購部門提出本地粉5粉的采購需求。
以下是配礦系統(tǒng)對優(yōu)化方案2實際執(zhí)行后的追溯結(jié)果：
表5 配礦方案追蹤結(jié)果
|
|
TFe |
二元 堿度 |
FeO |
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
還原性 |
燒結(jié)利用系數(shù) |
高爐利用系數(shù) |
|
原方案 |
54.93 |
2.28 |
9.1 |
5.02 |
1.93 |
11.46 |
2.52 |
78 |
1.55 |
3.31 |
|
現(xiàn)方案 |
54.82 |
2.31 |
9.2 |
5.12 |
1.97 |
11.83 |
2.45 |
79 |
1.65 |
3.32 |
可見優(yōu)化方案的燒結(jié)質(zhì)量滿足燒結(jié)生產(chǎn)和高爐生產(chǎn)需求。
4 結(jié)論
（1）在呈鋼礦粉資源種類和庫存量確定的前提下，不改變礦粉種類，只改變礦粉間配比關(guān)系應(yīng)用優(yōu)化配礦技術(shù)仍然取得了較大的經(jīng)濟效益。優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2僅替換4%左右的礦粉配比就產(chǎn)生了7到10元/噸鐵的效益。
（2）在呈鋼當(dāng)前的礦粉資源結(jié)構(gòu)下，燒結(jié)礦品位已經(jīng)接近最優(yōu)化。優(yōu)化方案2對燒結(jié)品位全局尋優(yōu)后的結(jié)構(gòu)與原方案相近。
（3）生產(chǎn)結(jié)合采購的配礦模式具備極大的降本潛力。僅引入3%的新礦粉，就達到了降本24.2元/噸的效果。
（4）礦粉采購要結(jié)合廠內(nèi)現(xiàn)有資源和配礦結(jié)構(gòu)使用優(yōu)化配礦系統(tǒng)確定。雖然新引入的本地粉6在價格上比本地粉5更具優(yōu)勢，但結(jié)合廠內(nèi)配礦結(jié)構(gòu)后系統(tǒng)還是自動選擇了本地粉5。這是由于在燒結(jié)和高爐的約束條件下，本地粉6的品位缺陷和高含硫量，需要其他高價礦粉進行彌補，導(dǎo)致引入該粉后總成本反而沒有優(yōu)勢。
（5）呈鋼使用優(yōu)化配礦系統(tǒng)后，在采購前根據(jù)配礦結(jié)果提出采購需求；采購礦粉后，根據(jù)到廠原料化驗值和庫存條件調(diào)整配礦比例。在保證燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，提高了經(jīng)濟效益。
參考文獻
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