（概率论与数理统计专业论文）宝钢分公司铁水质量现状分析和改进措施研究.pdf

华东师范大学硕士论文 i i i 摘要 生铁生产是现代化大型钢铁联合企业的关键工序，而生产优质低耗的生铁 是钢铁企业价值链的重要环节。为适应企业开发高质量、高附加值产品的发展 战略，满足炼钢工序冶炼“高纯净 优质钢的需求，炼铁工作者需对影响生铁 质量的因素进行综合分析，并采取有效措施加以控制，使生铁质量得到持续提 高。 本文应用质量管理专项工具对宝钢分公司生铁质量现状进行了评价，并利 用炼铁热力学和动力学原理对影响铁水质量的因素进行定性分析，着重分析了 铁水重要质量指标含硅量、含硫量的影响因素。在此基础上，应用多元回归分 析等数学知识来定量分析生产历史数据，建立了生铁质量预测模型，揭示了宝 钢分公司生产条件下影响生铁质量的关键变量，研究识别了生铁质量的控制手 段，探索了提高生铁质量的有效路径。在分析结果的指导下，宝钢分公司高炉 生产流程得到优化，生铁质量显著提高，取得了良好的经济效益。 关键词：高炉冶炼；生铁质量：回归分析；方差分析：工序能力指数；西格玛 水平 华东师范大学硕十论文i v a b s t r a c t t om a k ep i gi r o ni sak e yp r o c e s so fam o d e r nl a r g ei r o na n ds t e e l e n t e r p r is e ，a n dt op r o d u c es u p e r i o ra n dl o wc o n s u m i n gi r o ni st h e i m p o r t a n tl i n ko ft h ev a l u ec h a i ni nt h ee n t e r p r i s e t os a t i s f yt h e d e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fe x p l o r i n gh i g hq u a l i t ya n da d d i t i o n a lw o r t h p r o d u c t s 。a n dt om e e tt h en e e d so fp r o d u c i n gs u p e rp u r es t e e l i r o n - m a k i n gw o r k e r ss h o u l da n a l y z et h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ei r o n q u a lit y 。a n dt a k ee f f e c ti v em e a s u r e st oi m p r o v ei r o nq u a li t y i nt h i sp a p e r ，t h es t a t eo fi r o nq u a l i t yo f b a o s t e e lb r a n c hi s e v a l u a t e db yu s i n gq u a l i t ym a n a g e m e n tt o o l s t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h e p i gi r o nq u a l i t y ，e s p e c i a l l yt h eq u a n t i t yi ni r o nw i t hs i l i c o na n ds u l f u r ， a r ea n a l y z e db yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fi r o nm a k i n gt h e r m o d y n a m i c sa n d d y n a m i c s o nt h eb a s i so ft h a t ，t h r o u g hm u l t i v a r i a t er e g r e s s i o na n a l y s i s a n ds o m eo t h e rr e l a t e dm a t h e m a t i c sm e t h o d s ，t h eh i s t o r yd a t ai s q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da n dt h em o d e lt of o r e c a s ti r o nq u a i t yi ss e t u p t h ek e yv a r i a b l e st od e c i d ei r o nq u a lit yi nt h ep r e s e n tc o n d i t i o n a r ed i s c l o s e d ，t h em e a s u r e st oc o n t r o lp i gi r o nq u a l i t ya r ed i s c r i m i n a t e d ， a n dt h ee f f e c t i v ew a y st oi m p r o v ei t sq u a lit ya r ee x p l o r e d a sar e s u t ， t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fb l a s tf u r n a c ei si m p r o v e d ，a n dt h ep i gi r o n q u a l i t yi sr e m a r k a b l yr a i s e d ，w h i c hh a sl e dt og r e a te c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：i r o n m a k i n gb yb l a s tf u r n a c e ， i r o nq u a l i t y ， r e g r e s s i o n a n a l y s i s ， v a r i a n c ea n a l y s i s ， c a p a b i li t ya n a l y s i s ， n u m b e ro f 6 华东师范大学硕上论文 3 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名 学位论文授权使用声明 日期： 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 日期： 3 导师签名： 日期： 1 1 | c l l 1蚣7 睨以 黟 泼渺次心 撕斗 华东师范大学硕上论文1 第一章前言 1 1 课题背景 1 9 9 6 年中国钢铁产量首次突破1 亿吨，钢铁产量雄踞世界钢铁产量首位， 成为名副其实的钢铁大国【l l 。然而我国还不是钢铁强国，主要表现为钢铁质量、 品种、成本、能耗、环保等方面与发达国家还有一定差距，我国每年还需从日韩 等钢铁强国进口数千万吨的高技术含量、高附加值的产品。因此，我国在增加钢 铁产量的同时，还需大力开拓钢铁产品新品种，千方百计提高钢铁产品的质量， 为我国全面建设小康社会提供质量、品种、效益俱佳的制造材料和建设材料。宝 钢作为中国钢铁业的排头兵，在分享着中国经济飞速发展所带来的巨大机遇的同 时，也肩负着振兴我国民族钢铁业的重任，承载着我由钢铁大国迈向钢铁强国的 梦想。在当前经济全球化、竞争日益加剧的今天，钢铁业面临着上游原燃料采购 价格持续上涨和下游用户期望成本下降的双重压力，可谓竞争与压力空前。在这 样的时代背景下，作为宝钢股份主体的宝钢分公司面对竞争别无选择，唯有立足 技术进步，运用精益运营的理念和6 西格玛的管理方法，进行流程再造，避免流 程不必要的浪费，不断降低过程变差，持续提高产品质量，为用户创造价值，为 企业实现利润。为此，宝钢分公司提出了面向战略用户，生产“双高 精钢，深 挖潜力降低成本的经营理念。 为适应分公司生产经营形势，炼钢厂需更多地生产性能优异的纯净钢，炼铁 作为炼钢工序的供应方，必须从源头上抓质量降成本，为炼钢提供质优价廉的铁 水。此外，随着宝钢分公司4 号高炉的建成投产，钢铁物流平衡发生重大变化： 分公司面临着5 座转炉对应4 座高炉生产的局面，炼铁工序铁水供应富余，而炼 钢工序吞吐能力不足，即所谓“5 对4 搭接生产 。这种生产状况使得炼钢工序 转变为公司物流瓶颈，公司冶炼区域生产组织重心也随之转移为炼钢工序，从而 结束了长达8 年的炼铁产能不足的情况。同时，国际矿石价格在2 0 0 5 年上涨 7 1 5 、2 0 0 6 年上涨1 9 的基础上，今年再次上调9 5 ，三年问铁矿石成本上 升1 0 0 。由于宝钢9 8 以上铁矿石依赖进口，因此炼铁工序成本压力空前。为 消化矿石价格上涨所带来的成本压力，炼铁需使用高硫、高铝的低价矿石原料， 这势必影响铁水质量水平。根据公司面临的国内外市场竞争环境和内部生产条件 华东师范大学硕士论文2 的变化，炼铁工序必须审时度势，转变观念，生产组织的重点集中到降低成本、 优化质量上面，适应炼钢工序优质钢冶炼和高节奏的生产需求。通过对分公司冶 炼区域工序研究分析，我们发现生铁质量指标体系中铁水硅数和硫磺对炼钢和炼 铁工序质量、成本、生产效率影响重大，其中，低硅冶炼工艺更是分公司冶炼流 程增值的重要环节。因此，我们确定了以降低铁水硅数、增加生铁硅数、硫磺稳 定性为突破口的质量攻关项目。 1 2 课题研究的现实意义 随着科学技术的不断进步，材料工业对优质钢的需求日益增加，特别是要求 钢中磷、硫含量均在“双零”水平以下，铁水预脱硫、预脱磷是降低钢中磷、硫 含量，冶炼高附加值优质钢的重要措施。而铁水预处理脱磷效果与铁水硅含量密 切相关，理想的脱磷效果要求合适的铁水初始硅含量，低硅铁水是进行经济、有 效预脱磷的热力学条件，以铁水脱硅为中心的全面铁水预处理( 脱硅、脱硫、脱 磷) 技术正在迅速发展，这对开发新钢种、冶炼纯净钢、提高转炉生产能力、降 低成本具有重要意义。近年来，为适应炼钢工序对优质铁水的需求，高炉炼铁的 重要举措就是进行低硅冶炼，并且在低硅冶炼的同时实现炼铁工序的增值。 高炉低硅冶炼不仅可以改善生铁质量，而且可以降低焦比，增加铁水产量， 显著提高高炉炼铁生产效率。国内马钢生产经验表明，生铁含硅每降低0 1 ， 焦比可下降6 公斤，产量则提高0 6 ；根据首钢的经验，日产量( p ) 与生铁含 硅量亦有关系式：p = 3 1 1 8 5 1 4 8 7 s i ，r _ 0 6 9 2 4 ；而杭钢的生产实践表明，生铁 含硅量每降低1 ，产量提高5 - 6 ，焦比下降4 8 - 7 5 k g t 。同时，由于铁水硅 含量降低，炼钢脱硅反应消耗的c a 0 大量减少，渣量亦大量减少( 约为3 0 - 4 0 公 斤吨钢) ，炼钢工序能够进行无渣或少渣冶炼，提高了炼钢过程的精炼效果吲。 同时，随着渣量的减少，炼钢工序化渣和脱硅的时间缩短，炼钢冶炼周期显著缩 短，促进了生产率的提高；另外，炼钢炉渣中的铁损量和耐火材料的侵蚀也大量 减少，吹炼的终点控制更为简易。因此，高炉进行低硅冶炼能很好适应无渣或少 渣炼钢法。根据首钢生产经验，在炼钢过程中，每降低生铁硅含量0 1 个百分点， 可少加石灰7 l o 公斤，这说明降低铁水含硅量对炼钢有减少溶剂消耗的好处。 杭钢从1 9 7 7 年到1 9 8 1 年，生铁含硅由1 8 7 降低到0 5 4 ，生铁产量增加了6 5 ， 2 华东师范人学硕十论文 3 焦比降低了2 1 1 公斤吨铁，与此同时，炼钢转炉利用系数增加了2 0 1 8 ，钢铁 料消耗降低了1 0 9 7 7 公斤吨钢，冶炼时间缩短了9 5 7 分钟，钢水吹炼损失降低 了6 4 ，成本降低了7 2 7 元吨钢，对炼钢生产带来了明显的经济效益【3 】。 因此，本项目将重点研究铁水低硅冶炼制度，在高炉生产稳定的基础上，设 法降低铁水含硅量，同时，兼顾铁水脱硫，为炼钢工序提供优质生铁。此外，本 项目还将探索铁水含硅量降低的同时，增强铁水含硅、含硫的稳定性，提高铁水 质量的西格玛水平。 1 3 课题研究方法 高炉炼铁工艺复杂，涉及系统繁多。高炉输入参数多达1 0 0 多个，而过程参 数也是数目众多，因此，最终输出参数的影响因素确定难度较大。同时，由于高 炉炉内冶炼是个密闭、高温、高压的庞大系统，犹如一个“黑匣子 ，许多过程 参数的监测不能直观进行，只能通过相关检测设备间接了解，甚至有的参数根本 不能检测。因此，对铁水质量等输出变量的关键影响因素确认异常困难。 当前，人们在确定高炉铁水质量的关键输入变量和关键过程变量时，往往是 在高炉冶炼原理的指导下，依靠人工经验进行分析判断、确定流程与参数优化； 但是，由于人工由于生理限制，难以对所有的操作参数进行分析控制；同时，每 个人的经验水平、判断能力各不相同，因此，必然会出现人与人之问的差异，结 果导致铁水质量的波动。另外，在公司快递发展的背景下，高炉操作者普遍年轻 化，生产经验相对缺乏，单纯倚靠其经验难以满足优质、高效生产需求。当然， 也有部分炼铁科技工作者开发了“仿真技术”，通过试验室条件模拟高炉生产环 境，探索高炉冶炼的关键变量，籍此研究发现铁水质量与控制参数的关系；还有 的就是通过变更生产输入参数来观察输出结果的变化情况，从中找到相关冶炼规 律用以指导生产。由于试验室模拟条件与高炉生产条件相差甚远，众多冶炼参数 的交互作用难以考虑周全，因此，许多试验室的结论与生产实践偏差很大，最终 导致对生产的指导意义下降，甚至会出现误导生产的结果。 本课题研究主要是以炼铁冶炼原理为指导，对影响高炉铁水质量的关键因素 进行定性分析。在此基础上，将数理统计的专项知识和精益六西格玛( 以下简称 66 ) 的方法应用到流程分析，借以分析确定高炉炼铁的关键流程，查找关键输 3 华东师范大学硕士论文4 入变量和关键过程变量对铁水质量指标的定量关系，并通过一定的生产实践去检 验分析结果，在研究结果得到验证的基础上，再将课题结论应用于指导生产，从 根本上减少过程变差，达到提高铁水质量的目的。 1 4 课题研究目标 由于分公司外部面临着空前剧烈竞争生存环境，内部面临着钢铁物流不平衡 的复杂生产组织局面，因此本项目结合分公司生产经营目标和炼铁工序质量提高 的需要，重点开展了下述研究工作：首先对宝钢分公司铁水质量现状有一个系统 评估；其次，分析宝钢分公司铁水质量方面蕴含的改进方向，尤其是对炼钢工序 生产组织有限制的关键环节进行揭示；再次，针对其铁水质量方面的影响因素进 行探索，研究发现其根本原因，寻找解决措施；最后，形成并筛选最佳方案，将 改善铁水质量的相关方案付诸实施，以达到高炉冶炼流程稳定，铁水质量显著改 善，炼铁、炼钢工序实现“双赢 ，为公司效益最大化做出贡献。 4 牛东师范大学硕士论文 5 第二章宝钢分公司铁水质量现状分析 在寻找改善生铁质量的有效措施之前，有必要对宝钢分公司生铁冶炼流程进 行梳理，对其当前生铁质量状况进行全面、客观评价，并针对其现存问题寻找“快 赢”机会和流程优化措拖。 2 1 宝钢分公司生铁冶炼工艺流程简介 宝钢分公司高炉炼铁工艺流程主要由以下几个环节构成的：高炉原料和炉项 装入系统，其功能是为高炉准备所需的原燃料；高炉送风系统，功能是为输送一 定温度、湿度、雎力的鼓风和富氧：高炉渣铁处理系统，高炉生产的主要产品是 铁水，副产品是炉渣、煤气以及粉尘。而渣铁处理系统就是将炉渣与铁水进行分 离，铁水进入鱼雷罐车，熔渣冲制成水渣的系统。煤气清洗系统，是将高温煤气 进行降温和粉尘去处的流程。最核心部分是高炉本体及其中进行复杂的冶炼过 程：高炉本体是一个外部为金属炉壳、内部砌筑耐火材料的密闭容器，其阃还附 有冷却设各，防止炉壳变形和耐火材料受高温侵蚀。高炉内部就是铁水冶炼的场 所，通过炉料和煤气流不断相向运动，期间发生复杂的物理、化学反应，进行传 质、传热、动量传递即所谓的“三传”过程，经历一系列冶炼进程，高炉生产出 炼钢铁水，供炼钢工序使用，具体流程如图所示。 团国盈矿石 焦嶷 辅料 固岛 _ _ 卜4 i j 习 _ j 【- - - _ 一 t 1 目 图1 高炉炼铁工艺流程图 e 西 铁 水 水渍 干潼 锗铁 炼铜 o 衷师 学碰1 呛文6 2 2 铁水质量现状评估 2 2 1 宝钢分公司与国内外人型钢铁企业铁水质量比较 铁水也简称牛铁，是一种碳、铁等台余元素组成金属材料，丰要包括烁钢生 铁和铸造_ 二铁。铁水质量指标评体系中包括铁水温度、铁水成分，其巾重要评价 指标有叫个，叩铁水古硅量、铁水古硫量、铁水含锰量、铁水含磷量( 分巾简称 【s i 、【s l 、 m n 、【p 】) ，铁水等级的划分就是以这四个元素含高低为依据的，因 为铁水含磷、锰基本可以通过配矿加以控制，所以铁水质量主要通过硅、硫柬评 价下文将肘宝钢分公司铁水硅、硫禽量两个方面的质量指标进行分析。 宝钢分公川炼铁j期工程是从同本引进的技术装备，1 9 8 5 年9 月建成投 产。由于当时仝国尚无4 0 0 0 m 3 绒特大型高炉的操作经验，高炉操作技术水平起 点低。经过近5 年的技术积累和技术发展，臼1 9 9 l 始宝钢分公司高炉冶炼水平 迈卜了新台阶。在1 9 9 1 年年1 9 9 8 年的这一段时| l j ，宅钢分公司炼铁技术取得全 面发展：高炉高煤比、高利用系数、低硅冶炼技术进步迅速，高炉冶炼综合技术 经济指标与质量水平跻身于世界一流水平。1 9 9 8 2 0 0 2 年宝钢分公司高炉综合 冶余水平继续得到优化提高。2 0 0 3 年以来，由r 国际矿石市场供求关系出现转 变，同时，钢铁企业自身迫于成本压力，宅钢股份使用的原燃料质量出现较大幅 度下降，高炉在保持整体技术经济指标领先的条件下，铁水质屠有一定下降，但 总体水平仍然处于领先水平。1 9 8 5 年以来铁水关键质量指标推移图( 图2 ) 清晰 地硅示了这。点。 l i | i l l l l 【i 】 2 0 0 5 年镊席is f l 、s 推移州 m mh 如h h | | | 【 萎蚕蕃誊吾董蚕善喜誊器霉窜霉爱蛊 承 星量量 图2 宝钢分公司铁水硅、硫指标历年变化情况 华东师范人学硕十论文 。7 在宝钢分公司生铁质量自我纵向比较的同时，我们还将其与国内其他大型高 炉的生铁质量进行对比分析。图3 是宝钢分公司与国内知名大型钢铁企业生铁质 量指标进行系统聚类分析，分析结果将2 0 个国内大型高炉( 以下简称b f ) 铁水 质量分为四类： 第一类：宝钢分公司2 b f 、3 b f 、4 b f 、上钢2 b f ，这些高炉铁水质量优良，属 于低硅、低硫类型。 第二类：宝钢1 b f 、鞍钢7 b f 、1 0 b f 、l l b f 、1 2 b f 、武钢6 b f 、涟钢6 b f 铁水 质量较好，属于硅数适中、硫磺较低的类型。 第三类：武钢4 b f 、5 b f 、韶钢7 b f 、首钢3 b f 、唐钢3 b f 铁水质量一般，属于 硅素、硫磺都偏高的类型。 第四类：本钢5 b f 、6 b f 、包钢3 b f 、4 b f 铁水质量情况不佳，属于高硅、高硫 的类型。 图3 宝钢和国内大型钢铁企业铁水质量聚类分析情况 同样，运用系统聚类分析的方法，我们将宝钢分公司与国际著名钢铁企业铁 水质量作进一步分析比较，分析结果如图3 所示：来自亚、欧以及美洲国家的铁 水质量1 6 个样本分为四类： 第一类：宝钢2 b f 、3 b f 、4 b f 铁水质量显著优异，硅数、硫磺都较低，非常有 益于高炉低成本生产和炼钢冶炼纯净钢。 第二类：宝钢1 b f 、德国d e l l e g e n l b f 、2 b f 、新同铁大分1 b f 、2 b f 、荷兰 h o g e n w e n 2 b f 铁水硅数较高、硫磺低，铁水质量较好。 7 华东师范大学硕士论文 8 第三类：韩国光阳2 b f 、3 b f 、4 b f 、浦项2 b f 、4 b f 铁水质量中等，属于铁水 硅数低、硫磺较高的类型。 第四类：美国b e t h e h e n 铁水质量状况不佳，属于高硅、低硫类型，这种铁水 炼铁燃料消耗高，炼铁、炼钢工序效率都不高。 l 再 砻 c o hp r s i o n ho n gb o s t e e lan di n t e r n t i o n alh o b e lc o hp an i e $ 图4 宝钢和国外大型钢铁企业铁水质量聚类分析情况 通过上述分析比较，我们可以得知宝钢分公司高炉中2 b f 、3 b f 、4 b f 铁水 质量良好，处于国内外领先地位，1 b f 铁水质量较好，处于国内外行业中上游水 平。因此，总体而言，宝钢分公司铁水质量指标处于国内外领先水平。但是，以 上评价主要是宏观上把握铁水质量，其他情况如铁水质量的稳定性、铁水质量改 进潜力等方面还有待借助质量专项知识评价。 2 2 2 宝钢分公司铁水质量的具体评价 为更加精确客观分析评价宝钢分公司铁水质量总体状况，课题利用66 知识 在以往对铁水单项质量评价的基础上，建立了铁水质量综合评价指标，从而实现 更加系统、精确衡量不同部门、不同单元的铁水质量情况。根据分公司高炉操 作技术规程的相关技术规范规定，铁水核心质量指标为硅数、硫磺( 具体如表 1 所示) ，其中 s i 】：o 8 0 ，【s 】o 0 4 0 ；而铁水质量指标【m n 】、【p j i 匾常容 易满足技术要求。因此铁水质量衡量就集中到如何将【s i 】、【s 】两项质量指标统一 起来。按照66 缺陷评估方法，本次铁水质量评价将每百万机会缺陷数t a l ( d p m o ， d e f e c t sp e rm i l l i o no p p o r t u n i t y ) 引入，在应用d p m o 概念之前，需介绍几个相关 概念： r 华东师范大学硕士论文 9 一单元( u n i t ) ：过程加工的对象，或传递给顾客的一个产品及一次服务。 一缺陷( d e f e c t ) ：产品( 服务) 没有满足顾客的需求或规格标准。 缺陷机会：单位产品上可能出现缺陷的位置或机会。 d p m o - - 缺陷数( 产品数x 机会数) x1 0 6 ( 2 1 ) 根据宝钢分公司铁水质量的技术标准，可以计算确定铁水质量情况：铁水对 应的缺陷为 s i 】、【s 】没有满足用户或规程要求，产品数为铁水罐数，机会数为2 ， 即每罐铁水存在两个缺陷机会，现以2 0 0 5 年6 月 - - 2 0 0 6 年6 月4 b f 铁水质量情 况为例，共生产铁水4 4 4 6 罐，其中【s i 】超标5 罐、【s 】超标4 2 罐，则有 d p m o = 缺陷数( 产品数机会数) 1 0 6 = ( 5 - t - 4 2 ) ( 4 4 4 6x2 ) 10 0 = 5 2 8 5 p p m 即不合格率为5 2 1 ，对应西格玛水平为4 0 5 。根据66 质量经济性分析， 产品质量为46 水平时，劣质成本占企业销售额的比例高达1 5 2 5 t 5 1 。由此可 见，按照现有技术要求，宝钢分公司炼铁工序铁水质量既有改进的必要，也有改 进的余地。 表1 铁水目标成分 2 2 3 宝钢分公司铁水质量改进方向 既然上述分析显示宝钢分公司铁水质量有改进的必要，那么我们该如何改 进? 从那方面入手呢? 根据工序服从的原则，高炉直接用户是炼钢，属于内工序 用户，为此我们详细了解了炼钢的工艺流程和产品要求，炼钢工序希望提供优质 低硅、低硫铁水，以满足其冶炼高质量、高附加值钢种的需求。同时，2 0 0 5 年 四高炉投产后，铁水产量大幅度增加，公司的物流瓶颈将由炼铁转向炼钢，降低 铁水硅含量减少炼钢脱硅环节，可以大大缩短冶炼时间，提高钢产量，显著增加 公司系统经济效益。因此，炼铁工序需设法满足炼钢对铁水低硅、低硫的要求。 然而，由于当前高炉不仅面临着巨大的成本压力，而且所使用的原燃料品质下降 严重，因此，要同步实现铁水低硅、低硫冶炼困难重重。 根据统计过程控制的质量管理思想，质量改善见效最快的项目是减少过程变 9 华东师范大学硕上论文 l o 差 6 1 ，保持过程稳定，从而实现铁水质量稳定。在此前提下，再寻求工艺参数优 化，将铁水质量实现低硅、稳硫的方向改进。为此，本课题将结合宝钢分公司生 产实际情况，探索适合公司效益最大化的高炉冶炼方式，将铁水质量优化提高。 从原理上分析，高炉进行低硅冶炼将是一项非常有效的降本增效措施，也是改善 铁水质量的有力选择，下文将重点对宝钢分公司低硅冶炼实现铁水质量提高的途 径进行论证分析，同时兼顾稳定铁水含硫质量指标。 1 0 华东师范大学硕士论文 1 l 第三章铁水含硅冶炼原理 3 1 铁水含硅量的化学反应 高炉解剖研究和高炉生产实践表明，硅在高炉内发生两种反应，即硅的还原 反应和氧化还原。氧化硅在高炉炉腰部位开始还原，即在渣铁滴落带开始硅的还 原，在风口水平面时，硅的还原达到高峰，此时铁水含硅量是终铁含硅量的 2 3 4 3 8 7 倍。此后，在风口区域和风口水平面以下的渣铁界面上，即炉缸部位发 生硅的氧化反应，得到最终铁水含硅量，具体硅的变化过程如图5 所示【7 1 。铁水 最终含硅量是高炉硅的还原与氧化反应的综合作用的结果，并且取决于反应的热 力学和动力学条件。 ；一孓； 嘲锄乒彤一 矿 彳乡7r 气，堋， 左，7 - 舨虚l 二p 。小- 基 弘。呐i o 0 21 p 叫p l d - o o i 虬 9 图5 铁水含硅量在炉内变化情况 硅的还原主要是有两个途径，一是硅从热焦炭分步还原到铁水；另一途径是 硅从炉渣中还原进入铁水。由于炉渣中s i 0 2 的活度很小，而焦炭和喷吹煤灰份中 s i 0 2 处于游离态，活度接近1 o ，两者在同一温度下，活度要差1 0 - - 2 0 倍。因此， 铁水中硅大部分是通过焦炭中的s i 0 2 还原而得的，渣中s i 0 2 还原所占的比例较 小。 硅从焦炭中还原经历两个阶段，首先，焦炭灰分中s i 0 2 和渣中s i 0 2 在高温下 与焦炭中的固定炭发生反应，产生s i o 气体，反应式为： ( s i 0 2 ) + c s i o ( g ) + c o 回 ( 3 - 1 ) 华东师范大学硕士论文1 2 然后，s i o 气体在上升的过程中被铁液中的碳还原成为硅，其反应式为： s i o 国+ 【c 卜 s i + c o t g jo 一2 ) 尽管炉渣中( s i 0 2 ) 难以产生s i o 气体，但是渣中( s i 0 2 ) 和铁水中 c 】直接还原 成硅并进入铁水的反应是存在的，其反应式为： ( s i 0 2 ) + 2 【c 】一 s i + 2 c o ( g )( 3 - 3 ) 在硅的氧化反应过程，铁滴在穿过渣层汇聚到炉缸时，会被含有大量f e 0 、m n o 的氧化性炉渣氧化，反应式为： 【s i 】+ 2 ( f e o ) 一( s i 0 2 ) + 2 f e 】( 3 - 4 ) s i 】+ 2 ( m n o ) 一( s i 0 2 ) + 2 m n 】( 3 5 ) 3 2 硅还原热力学分析 为从原理上掌握生铁含硅量的影响因素和控制方法，有必要从热力学上详细 分析硅还原的决定因素。由上文所述式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 可知硅的还原反应可合并 为下式： ( s i 0 2 ) + c + 【c 】一【s i + 2c o t o( 3 6 ) 假设滴落带铁水碳饱和，则qf c 】= 1 ，同时qc = l ，所以反应( 3 - 6 ) 的平衡常数k 为： k = a s i l p c 0 2 as i 0 2 = s i f s i p c 0 2 as i 0 2 ( 3 7 ) 由( 3 7 ) 式可得： 【s i 】= k qs i 0 2 f s i p c 0 2 ( 3 8 ) 式中f s i 为生铁中硅的活度系数，当生铁成分一定时为常数。由此式可见，进入 生铁的硅量主要和反应平衡常数( 决定于温度) 、焦炭灰分中s i q ，或炉渣中s i 0 2 的活度及炉内c o 分压p c o 有关。一般说来，较低的炉温，较小的炉内高温区范 围，降低焦比，减少焦炭灰分含量，减少吨铁渣量，提高炉渣碱度，增加渣中 m g o 含量等均可抑制硅的还原。 3 3 硅还原动力学分析 热力学揭示了硅还原的可能性和反应平衡时进行的程度，但是高炉解剖数据 1 2 华东师范大学硕士论文 1 3 表明，高炉各部位生铁实际含硅量远远没有达到热力学平衡时的最大值，首钢试 验高炉解剖数据结果( 图6 ) 【8 1 表明：热力学平衡时，硅在渣铁问分配系数l s i o 和实际硅分配系数l s i 存在显著差异，图中显示硅在渣铁间的分配系数远没有达 到平衡值，这表明s i o 的还原反应还受到动力学条件的限制。考虑到动力学因素， s i o 还原反应速度式为： v = d s i 】d 户k a m c s i 0 2 c c c 【c 】( 3 - 9 ) 式中v ：s i o 还原反应速度； k ：反应速度常数； a m ；反应接触面积； c s i 0 2 ：焦炭灰分中s i 0 2 ，或炉渣中s i 0 2 浓度： c c ：焦炭中固定碳的浓度； c t c 】：生铁中炭的浓度。 i ，l o 1 图6 硅分配系数实际与理论值的比较 在生铁含硅量小于1 的情况下，反应( 3 9 ) 逆反应的影响可忽略不记，而 生产炼钢生铁的条件下，生铁含硅量往往低于1 。如果焦炭成分一定，则c c 为定值；由于生铁中炭饱，所以c 【c 】也为定值，因此上式可简化为： v = d 【s i d t = k a m c s i 0 2 ( 3 10 ) 式中k 、为修订后的反应速度常数，由上式积分得： s i 】：k a m c s i 0 2 t ( 3 1 1 ) 所以，综合考虑动力学条件，影响s i 0 2 还原的因素还有反应面积以及反应 华东师范大学硕士论文 1 4 时间等。一般说来，那些减少炉渣与焦炭接触面积，以及强化高炉冶炼、加快料 速、降低滴落带高度等缩短铁水在滴落带滞留时间的因素均可抑制s i 的还原。 3 4 硅氧化反应热力学分析 正如前文阐述，风口水平面铁水硅的含量比最终铁水高出数倍，这是因为炉 缸下部生铁汇聚过程中存在铁水中s i 的氧化反应，其反应式为： s i 】+ 2 ( f e o ) 一( s i 0 2 ) + 2 f e 】( 3 - 1 2 ) 反应的吉布斯自由能a g o = 8 1 5 0 0 + 2 8 5 0 t k j m o l ，( 式中t 为反应温度) ，由反 应( 3 1 2 ) 的a g o 分析可知：a g o 随着温度降低而减小，因此【s i 】的氧化反应在温度 稍低的情况下更易进行，结果是铁水中 s i 】降低。而随着温度升高，g o 负值减小， 【s i 】氧化反应进行程度下降，从而导致铁水中【s i 】增加。由热力学分析可知，反应 达到平衡时铁水含硅量可用下式表示： + 【s i 】= k qs i 0 2 qz f e o f s i ( 3 1 3 ) 式中k 是与温度有关的反应平衡常数； qs i 0 2 i 渣中s i 0 2 的活度； qf e o 是渣中f e o 的活度； f s i i 铁水【s i 】的活度系数； 由此式可见，s i 的氧化量与反应平衡常数k 、炉渣中s i 0 2 的活度、铁水s i 的活度 系数、炉渣中f e o 的活度相关。 3 5 硅氧化反应动力学分析 以上是热力学分析，同理在高炉实际操作条件下反应达不到热力学平衡状 态。按首钢试验高炉解剖的数据计算，在1 6 0 0 ( 2 渣中f e 0 含量为0 5 时，【s i 】的 氧化反应达平衡时生铁含硅量应为0 0 9 5 ，而实际生铁含硅量为1 4 2 ，是平 衡值的1 4 倍多【9 1 。可见在高炉实际条件下【s i 】的再氧化反应远没有达到平衡，它 还受到动力学条件限制。高炉解剖试验研究表明，铁水中硅的氧化主要发生在铁 滴穿过渣层，这一过程铁水氧化的硅量占总氧化量的9 5 ，对铁水含硅量影响重 大。铁滴穿过渣层和炉缸渣铁界面时被氧化的硅量可分别用式( 3 1 4 ) 、式( 3 1 5 ) 1 4 华东师范大学硕士论文 1 5 计算： n t s i = 1 8 0 n 【s i 】1 q d 3 p ( p 一6 ) g 1 0 0 n 、 s i - - - n f s i a t p 10 0 ( 3 - 1 4 ) ( 3 一1 5 ) 式中：n 【s i 】：铁滴穿过渣层时再氧化的硅量； n 【s i 】：铁滴在炉缸储存渣铁界面氧化的硅量： n i s i ：硅由铁水向炉渣的迁移速度，它决定于铁水中硅的浓度和扩散条件； 1 ：渣层厚度； n ：炉渣粘度； 6 、a 、t ：渣铁界面上的炉渣张力、接触面积、接触时间； d ：铁滴直径； t o ：铁滴密度； g ：重力加速度； p ：高炉日产铁量。 公式( 3 1 4 ) 是决定铁水硅氧化的主导反应，其中渣层厚度l 、炉渣粘度n 、渣铁 界面上的炉渣张力6 对硅的再氧化有影响。随渣层增厚，铁滴与炉渣接触时间增 长，再氧化的硅量增多。炉渣粘度硅的再氧化量也有重要影响，随炉渣粘度升高， 再氧化硅量明显增加。这是因为粘度升高后，铁滴下降的阻力增加，降落的速度 减慢，渣铁的接触时间增长所致。根据高炉内硅的还原和氧化机理分析，我们知 道影响铁水含硅量因素繁多，各种因素汇总如下图： 图7 铁水含硅量的影响工艺流程与相关参数 1 5 华东师范大学硕士论文 1 6 第四章铁水质量的影响因素统计分析 正如上文热力学和动力学分析所示：铁水硅含量的影响繁多，即有热力学因 素，又存在动力学因素。单纯从理论上进行分析和单纯从试验室进行研究都难以 准确反映高炉实际物理化学反应情况。因此，如果利用高炉冶炼实际参数进行相 关分析和回归分析就十分有益，因为人们可以在高炉冶炼理论的指导下，有意识、 有计划地收集整理数据，根据数据之间关系，找出其中的冶炼规律，并用以指导 生产，达到提高生产稳定性和改善产品质量的目的。下文将利用高炉冶炼的相关 参数，对铁水含硅的影响因素进行定量分析，并期望从中探索出铁水含硅量的控 制模型，借以发现促进高炉硅数稳定和低硅冶炼的途径，并且将铁水含硫进行综 合考虑，避免低硅冶炼造成铁水含硫指标恶化的不利局面。 4 1 回归分析原理简介 多元回归分析是处理变量之间的一种统计方法和技术，它研究的主要对象是 客观事物间的统计关系，它是建立在对客观事物进行大量试验和观察的基础上， 用来寻找隐藏在那些看上去不确定现象中的统计规律性的统计方法。回归分析方 法是通过建立统计模型研究多变量间相互关系的密切程度、结构状态、模型预测 的一种有效的工具【1 0 1 ，多元线性回归模型简介： 回归分析是研究两个或多个变量之间关系的统计规律性，被广泛应用于工农 业生产和科学研究，在实际问题中，随机变量y 往往不是只与一个变量有关， 而是多个变量，如p 个变量：x l ，x 2 ，x p 有关，不妨设 y = p o + p l x l + p 2 x 2 + + b p + ( 4 1 1 ) 其中1 3o ，1 3l ，1 3p 是p + 1 个未知参数，1 30 称为回归常数，1 31 ，1 32 ，bp 称为回归系数，y 为因变量，而x 1 , x 2 ，x p 是p 个可以精确测量并可控制的一 般变量，称为自变量，是不可观测的随机误差，( 4 1 1 ) 便是p 元线性回归方程 的数学模型，由( 4 1 1 ) 可知： e ( y ) = b o + p l x l + h x 2 + + 1 3p x p ( 4 1 2 ) 称( 4 1 2 ) 为理论回归方程。 对一个实际问题我们获得1 3 组独立观测值( x i l ，x i 2 ，x i p , y i ) ，i = 1 ，2 ，n ，则线 1 6 华东师范大学硕士论文 1 7 性回归模型( 4 1 1 ) 可表示为 ，i = p o + p l l + p 2 + l + p ， ，+ l y 2 = p o + p l 工2 i + p 2 j 跫+ l + b ，b ，+ 2 y n = d o + p i 屯i + 昏 2 + l + p p o + l ( 4 1 3 ) 其中各i 各相互独立且同分布，服从n ( o ，62 ) ，( 4 1 3 ) 式写成矩阵形式为： j 脚 i e - 1 ( 0 ，62 u 其中各参数如下： p o p ， m p ， i 2 m 叶 ( 4 1 4 ) 利用最小二乘原理求解，求出一个参数向量b 的估计1 3 “，使得回归方程的残差 平方和函数s s e ( b ) 取得最小值： s s e ( 1 3 ) = ( y x p ) ( y x p ) 由微分求极值法及矩阵微商有： s s e ( 1 3 ) = 2 x y + 2 xx p = 0 得到正规方程组x t x l 3 = x y 若x 、x 非退化，即 x 、x l # o ，则得1 3 的最小二乘解： 1 3 “= 。1x y o 的估计o2 = s s e ( 1 3 ) ( n p 一1 ) 式中1 3o 为常数项，x i 为自变量，1 3i 为偏回归系数，其内涵是其他变量固定不变 时，某个自变量x i 每变化一个单位，因变量( 平均变化的单位数。p0 和1 31 ， 1 32 ，1 3m 的求解一般通过最小二乘法求出它们的估计值。另外，多个自变 量与因变量所建立的回归方程要进行统计检验。不但要对整个方程是否有意义进 行假设检验，也要对每个自变量进行检验，从方程中剔除无统计学意义的自变量， 只保留有统计学意义的。 多元线性回归的主要用途：建立个可反映因变量与自变量关系的多元回 归方程；利用多元回归方程，用已知的自变量去估计未知因变量；分析一个 1 7 l l r y 、ii一、 m h o h m ，f-。-l = x 华东师范大学硕士论文1 8 因变量与多个自变量间相互关系。多元线性回归的主要应用条件：因变量必须 是计量型，而自变量可以是计量型、计数型；因变量必须服从正态分布；样 本含量一般要求为自变量个数的5 - - 10 倍。 4 2 铁水含硅量回归分析 通过对铁水含硅量的冶炼因素分析，我们选择了与铁水质量指标相关的4 2 项流程指标( 表2 ) ，希望从中研究探索出铁水含硅量统计模型，以指导高炉生 产实践进行铁水低硅冶炼。 表2 、铁水质量相关的流程指标 序号变量序号变量 x l 燃料比 x 2 2 焦炭固定碳 x 2 焦比 x 2 3 喷吹煤灰份 x 3 煤比 x 2 4 焦炭和喷吹煤含s i 0 2 x 4 风温 x 2 5 铁水温度 x 5湿度x 2 6 【s i 】 x 6富氧率x 2 7 m n l x 7 风压 x 2 8 【p 】 x 8 风量 x 2 9 【s 】 x 9 铁水产量 x 3 0 【c 】 x 1 0 综合冶炼强度 x 3 1 二元碱度 x 1 1透气性指数k x 3 2 三元碱度 x 1 2炉体热负荷x 3 3四元碱度 x 1 3 炉腹煤气量 x 3 4 ( c a o ) x 1 4 风口前端温度 x 3 5 ( m g o ) x 1 5 理论燃烧温度 x 3 6 ( t i 0 2 ) x 1 6焦炭温度 x 3 7 ( s i 0 2 ) x 1 7c o 利用率 x 3 8 ( a t 2 0 3 ) x 1 8 焦炭全硫 x 3 9 渣比 x 1 9 焦炭灰份 x 4 0一次灰比 x 2 0 硫负荷 x 4 1二次灰比 x 2 1焦炭挥发份 x 4 2 硫分配系数 铁水含硅量和铁水含硫量皆为计量性参数，其分析设备为x 荧光仪s m x 一 1 0 ，设备编号为b z d b c 0 0 0 2 。为保证数据来源准确，宝钢分公司设备部对该设 备进行了编号为b 0 0 2 z 的测量系统分析( 简称m s a ) ，m s a 的报告得出的r & r 值( 对应检测参数为铁水含硅量) 是3 6 7 ，检测参数为铁水含硫量的r & r 值 是2 5 6 ，两者皆小于1 0 ，因此m s a 表明测量系统可靠。 1 8 按照项日i i 划，我们收集了絮制分公州4 高炉2 0 0 5 年6 月4 2 0 0 6 年4 月初 这时间段内的数抛，按照精益六西格玛的流程，埘数据进行了相应的分析处理。 1 ) 数据l f 态性检验： 根据线性多元网止j 分析假设条件要求，我们对铁水含硅量进行j f 忐检验，发 现p 值小于00 0 5 ，冈此判断铁水含硅量非订二态，l f 态拟合晰线较差，详见罔8 。 图8 铁水含硅量丌- 态性检验 为满足线性多元回归分析的前提条件，对相关数据进 t b o x c o x ( x = 一1 ) 转换 检验，检验结果硅示p 值大于o1 5 ( 见固9 ) ，因此可以认为