（钢铁冶金专业论文）高炉参数稳定性分析方法应用初步研究.pdf

辽宁科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 铁水中的硅和硫的含量怒高炉炼铁的重要指标之一，也是评价铁水质量的重要依 据之一，为了保证高炉生产高效稳定的进行，本文根据鞍钢l l 号高炉2 0 0 4 年9 、1 0 月 和2 0 0 5 年7 - - 一1 2 月的生产数据来避行研究分析，通过硅、硫含量的变化以及影响其变 化的因素，如影响硅的焦比、煤吃、风溢等和影响硫的含硅量、吨铁负荷等枢关匿素进 行数理统计分析，判断其影响强度的强弱和是否稳定。 在分析的过程中主要运用六西格玛质量分析的方法，主要有： ( 1 ) 相关性分析( 2 ) 回归分析( 3 ) 稳定性分析 在分析过程中本文采用了六西格玛数据分析的软件：m i n i t a b 软件，其分析的结果 与预期的结果相符。通过稳定性分柝可以看出硅、硫元素及其影响因素的是否稳定，可 以通过分析调整不稳定因素，来指导高炉稳定高效生产。 关键词：高炉，数理统计分析，六西格玛，m ；n ；t a b 堡主! 塑垄兰壬堡翌：! 芏堡堡查 。! ! ! ! ：! ! ! a b s t r a c t t h ec o n t e n to f s i l i c o na n ds u l f u ri nh o tm e t a li so n eo f t h ei m p o r t a n ti n d e x e sf o rb l a s t f u r n a c ei r o n m a k i n g ，a n di ti sa l s oo n eo f t h ei m p o r t a n tb a s e so f a p p r a i s i n gt h eq u a l i t yo f h o t m e t a l i no r d e rt og u a r a n t e et 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 ee f f e c t i v e n e s sh i 曲l ya n d s t a b i l i t y , t h en o11b l a s tf i m a a c e ，a n s t e e lp r o d u c t i o nd a t ao fs e p t e m b e ra l l do c t o b e r i n2 0 0 4 a n do ff r o mj u l yt od e c e m b e ri n2 0 0 5w e r es t u d i e d b ym e a n so fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a n a l y s i sf o rt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ev a r i a t i o no ft h ec o n t e n to fs i l i c o no rs u l f u r , s u c ha st h e c o k er a t i o ，t h ep c i ，t h eb l a s tt e m p e r a t u r et ot h ec o n t e n to fs i l i c o n ，a n dt h ec o n t e n to fs i l i c o n ， t h el o a do fp i gi r o nt ot h ec o n t e n to fs u l f u r , i t si n f l u e n c ei n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yc a r lb e a c q u i r e d ， t h ef o l l o w i n gm e t h o d so ft h es i x s i g m aq u a l i t yp r o c e s sa n a l y s i sw e r em a i n l y a d o p t e d ： ir e l e v a n ta n a l y s i s ，i ir e g r e s s i o na n a l y s i s ，i i is t a b l ea n a l y s i s m i n i t a bs o f t w a r e ，t h es i x s i g m aq u a l i t yp r o c e s sd a t aa n a l y s i ss o f t w a r ew a su s e di nt h i st h e s i s ， a n di t sa n a l y s i sr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ea n t i c i p a t e do n e b yt h es t a b l ea n a l y s i s ，t h e s t a b i l i t yo ft h ec o n t e n to fs i l i c o no rs u l f u ra n dt h e 拓i n f l u e n t i a lf a c t o r sc a nb eo b t a i n e d t o a n a l y z ea n da d j u s tt h eu n s t a b l ef a c t o rh a sas a l u t a r y e f f e c to nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fb l a s t f u r n a c es t a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s sh i 球l y k e yw o r d ：b l a s tf u m a c e ，m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i ca n a l y s i s ，s i x s i g m aq u a l i t y p r o c e s s ，m i n i t a b “ 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：叁壑圭 日朔：型! ! ：s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在鳃密后应遵守此规定) 签名：童堡叁导师签名： 峥嗍：蚴 辽宁事4 技大学工程硕士论文 绪论 1 。1 高炉分析及控制模型概述 1 绪论 近年来，高炉炼铁技术快速发展，国内外均向着高炉大型化、高效化、节能环保、 长寿方向发展，一些先进的技术也应用于高炉，高炉的自动控制技术得到了全面提高。 在国内，高炉的各项技术指标已有了很大进步，甚至一些技术已达到国际先进水平，但 与国外相比，还存在着一定的差距。 1 1 ，1 高炉控制模型及控裁系统的发展 ( 1 ) 国外发展概况 早期的高炉计算控制是以美国和德国、法围、比利时等欧美国家为代表，主要功能 是数据采集和处理、报表处理、报表制作、上料设备的顺序控制和热风炉的p i d 控制等， 与过程本身有关的功能仅限于统计模型及物料平衡和热平衡模型研究影响焦比的操作 因素。 到了7 0 年代，高炉控制核心地位逐渐转向日本，新开铁、川崎、日本钢管和名古屋 大学等大学紧密合作，先后开发和应用了很多数学模型，如著名的鞭模型，g o s t o p 系 统等。阉期，还研制了许多先进的控制检测技术，如：微波料面仪，炉深探尺等。 从8 0 年代中期开始，以日本钢管公司为先导，开始将人工智能技术特别是将专家系 统应用到高炉上。大大提高了控制的可靠性和精度。在此期间，美国和加拿大也急起直 追，在检测仪表和数学模型方面取得了很大的成绩。近年来，高炉自动化系统有了更深 入的发展，专家系统和人工智能等先进的控制技术得以应用，使高炉生产上了一个新的 台阶。目前除了日本、澳大利贬、法国、英国、芬兰、瑞典和意大利等西方发达国家以 外，巴西、韩国等国家也在高炉过程计算机控制上达到了较高的水平。这里比较有代表 性的国家是日本、韩国和瑞典“。 复杂的高炉控制能否脱离人面完全由计算机来控制? 日本钢管公司富山厂5 号高炉 应用专家系统连续两周无人操作的实践对这个问题做出了肯定的答案。在宏伟的无人操 作高炉实现前，当前最重要的任务是提高操作人员的水平，增强工长对计算机系统的信 心。现有的专家系统在不断的完善，计划增加自学习功能和人工神经网络技术的相结合。 ( 2 ) 国内发展概况 我国高炉计算机控铕 j i e 处于蓬勃发展的耨时期，虽然起步较晚，但发展迅速。利用 微机和p l 控制高炉上料和装料已普及。近年新建或大修的武钢5 号高炉( 3 2 0 0 m 3 ) 、唐钢 1 2 6 0 m 3 高炉、宣钢5 号高炉( 1 2 0 0 m 3 ) 、湘钢3 号高炉( 1 0 2 9 m 3 ) 等大中型高炉，以及涟钢2 号 高炉( 3 9 2 m 1 ) 、广钢等小型嵩炉都建立起计算机控制系统，具有了较为完善的基础自动化 功能和初步的过程自动化控制功能。例如宝钢2 号高炉已经拥有自动化程度较高的高炉 控制系统，但是这套系统是从日本引进的g o - s t o p 系统。从现在的趋势来看，我国的商 辽宁稃技大学工程硕士论文 绪论 炉控制系统已经从以前的基础自动化向过程自动化开始过渡。 我国当前只完成基础高炉自动化的系统，在整体控制上还存在问题，有些控制系统 还需要改动。控制设备( 即基础自动化) 是高炉计算机控制的基础，而过程控制是计算 机控制的核心。在九十年代中期，冶金部就指出，有条件的高炉要尽快从慕础自动化级 升级到过程自动化级控制。面过程自动化及控制的核心是高炉数学模型。丰富而优良的 应用软件是控制的心脏。模型的开发即需要时间又需要智慧，是二项很艰巨的工作。高 炉数模，特别是人工智能模型和专家系统，与高炉的特征、原料和燃料条件、工长的经 验有着密切的关系。从我国的现状来看，完全引进国外的模型所需用的开销非常大，这 对于中小型公司是很难承受的，有条件引进国外成套软件的大公司，也需要考虑消化和 自我二次开发。针对以上情况，尽快的开发出适合我翻高炉特点的高炉模型是我国炼铁 行业走向过程自动化的重中之重。 1 2 冶金工业中对元素含量的分析预测模墼 已有的高炉铁水成分含量的预测模型主要分为静态模型、统计模型和智能模型。 静态模爱和统计模型在稳定炉况下可获得较高的预测命中率。人工智能技术是迅速 发展起来的门新学科，专家系统和神经网络是人工智能技术的鹾个重要分支。传统的 高炉专家系统存在知识获取的瓶颈问题，而神经网络模型具有自适应和自学习能力。因 此，结合神经网络和专家系统的智能高炉铁水硅含量预测模型成为耳酶的研究热点，但 此方法还不成熟。 ( 1 ) 炉热指数模型 高炉冶炼是个复杂的高温物理化学过程，要精确测量炉内的温度分布是不可能， 只能通过炉渣和铁水温度以及铁水含硅量来间接反映高炉炉温。因此，多少年来高炉工 作者一直致力于研究如何地预报铁水含硅量和铁水温度。到目前为止，预报高炉铁水含 硅量和铁水温度的数学模型有机理模型、统计模型和经验模型，尽管这些模型没能达到 完全满意的程度，但也积累了宝贵的经验。 采用炉热指数预测高炉炉温起源于2 0 世纪5 0 年代，先后开发了w u 、e c 、t c 、t f 、 t q 等指数。，它们预测炉温的命中率一般都不高，原因在于模型所角的参数都是经验数 据与所应用的高炉实际有些差距。批模型采用历史l 应用较好的三种炉热指数t c 、 t f 、t q 通过建立数学模型以高炉参数在线收集计算模型为基础，来预报铁水含硅量和 铁水温度并确定哪一种炉热指数相关性更高、命中率更高。 此模窭特点： 1 ) 采用三种炉热指数进行铁水硅量及铁水温度的预报，可将三种预报的结果进行 比较，最终选取线性相关最好的炉热指数进行预报，可提高预报结果准确性。 2 ) 模型基于前一天的生产结果每天进行次基础参数在线收集计算模型，收集计 算所需的实时参数，妇高炉中元素分配率、漏风率、铁损率、热损率等，然后求出若干 辽宁科技大学工程硕士论文绪论 历史时期的平均值，用于现时刻的模型计算，这些实时参数的采用比历史上前人所用的 经验数据对提高高炉热指数计算的准确性更为有利。 该预报模型根据当时刻计算的炉热指数和历史炉热指数以及实测的铁水含硅量和 铁水温度等时间序列的相关性来预报下一炉出铁的铁水含硅量和铁水温度，当遇到发生 变化时，绘操作者提供炉况判断指导，工长可提前采取调节动作稳定炉况。 ( 2 ) 时间顺序模型 1 ) a r v 模型 a r v 模型是基于高炉近期的测量信感，耀简化的方式对高炉炉缸进行动态分祈，按 时间序列预测之后几个小时内硅含量的发展趋势。然而，此模型对炉况波动的反映不灵 敏，在线预测准确性不高。 2 ) 铁水硅含量预报时间序列模型 铁水硅含量预报时间序列模型是烙高炉过程简化为多输入单输出的系统，应用操 作数据对生铁硅含量进行预报。此模型的命中率明显的依赖于高炉过程的稳定性”1 。 ( 3 ) 理论计算模型 早期的高炉数学模型主要是针对赢炉冶炼过程的某一个方面面建立起来的相互关 联的关系式，以便对高炉冶炼过程的模拟与分析。通常这些模型只能进行离线分析，其 代表模型有莱哈尔特图、拉母计算法、r i s t 操作线“。 1 ) 莱哈尔特图是基于热力学的单纯分板高炉热状态的模型( 1 9 2 7 年) ，即：沿高 炉画出煤气由火焰温度降至炉顶出炉温度，在不同温度区间内热函数变化的曲线，以及 与之对应的炉料出入炉温度升至渣铁出炉温度，在各个温度区间的热函数变化曲线。包 括了各种物理与化学变化的热效应造成的热函数变化。 2 ) 拉母计算法是通过联解物料和热平衡方程组来进行配料计算( 1 9 4 1 年) ，在所 有物料平衡的方程式中焦比作为未知数，而在热平衡方程式中，炉料、矿石、溶剂及其 他物料的消耗作为未知数。 3 ) r i s t 操作线最突出的优点是它抓住了矿石中铁氧化物中的氧被还原剂所夺取这 一高炉冶炼过程中最本质的化学反应，以氧的传递为中心绘制了操作线图。 ( 4 ) 模式识别方法 模式识别是矗接的把实际生产中的各种控制因素与追求目标的数据形式收集起来， 找出相应的多位空间以考察优类目标样本点在多维空间中的分布情况。借助于计算机将 多维空间转换为2 维图像供操作人员分析，然后根据操作人员的意旨，将优类与差类目 标样本点还原至多维空间，最后总结出两类样本差异的内在原因，给出具体优化方案， 用以指导生产，从而达到优化的目的。 模式识别是一个比较复杂的优化系统。它包括原始数据的收集与处理，特征变量的 擒取，优类差类样本的分类，露数字方法和各种映射原理将多维空黼转化为2 维平面坐 标，将二维平面图还原为多维空间以及对未知样本进行判别、预报等。 在优化过程中还通过数学方法找出各特征变量对目标变量的影响系数，而且还可以 辽宁科技大学工程醺士论文绪论 给出这些特征变量的调优方向。根据这个系数的排序，决定各特征对目标影响的重要性。 模型的优点： 模式识别方法是适用于工业生产优化的一门新技术。它与传统的建立数学模型的优 化方法相比较，有着操作越单，易理解，优化结果直观，易人机交流，生产数据可立即 采用，不需要专门做补充试验等优点“。此外，还可以作的目标优化试验。因此它是 门值得推广的应用技术。 ( 5 ) 高炉专家系统 1 ) ：专家系统的概述 人工智能( a r t i f i c i a li n t e 1 i g e n c e ，简称a i ) 被誉为本世纪的三大科学技术成就 之一。在6 0 年代中期作为人工智能的一个应用领域的专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 的出现，使得人工智能的研究从实验室走向了现实世界。专家系统的研究推动了人类智 能的发展，开创了司算机求解非数值闽题的有效途径，它和自然语言理解以及计算机一 起已成为人工智能研究最活跃的三大领域。随着它的飞跃发展，世界各国已| 经在化学分 析、医疗诊断、农业、经济和军事等领域研制了大量的专家系统，有一些系统声称在性 能上已达到甚至超过了同领域中人类专家的水平，它的应用已经开始产生了巨大的经济 效益。 专家系统是迅速发展起来的一个人工智能的应用领域。设计一个专家系统，其基本 思想是使计算机的工作过程竭尽全力地来模拟领域专家解决实际问题的过程，即模拟领 域专家如何运用他们的知识与经验来解决实际问题的方法与步骤。所以专家系统实际上 是一个( 或一组) 能在菜特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算 机程序“一“。 专家系统是一种基于知识的智能程序，它与传统的程序相比有如下特点“1 ： a ：启发性 专家系统运用领域内的理论与锘识性知识以及专家长期实践中累积起来的宝贵经 验，这些经验通常没有严谨的理论依据，很难保证其在备神情况下的普遍难确性，但在 一定条件下解决问题时，它们往往简洁而有效，能够起到有效的简化问题或快速求解问 题的作用，从而使系统具有启发性。而不是基于算法的传统过程。这侵计算机的应用范 围大大地扩大了。因为，大部分： 作不是数值计算性的，丽是主要以知识为基础，通过 推理柬完成的。 b ：透明性 专家系统能解释本身的推理过程，给出求解过程的推理路径，使系统具有一种透明 的界面。它又能完成向用户提供咨询的任务，加强了用户对专家系统的可接受性，也为 专家系统的改进、完善提供了方便。 c ：灵活性 专家系统由于知识库和推理机的槌对独立，使它可以方便地在非编辑状态下不断对 知识进行增删和修改，有利于知识库的扩充及完善，不断提离系统的性能。另外专家系 4 辽宁科技大学工程硕士论文绪论 统强调符号处理，并希望有一一个理想的入机接口，做到专家或用户能以一种接近自然语 言的语言甚至口语形式同系统进行信息的交演。 2 ) ：高炉专家系统在国内外的应用实例”1 在2 0 世纪7 0 年代以后，同本对高炉专家系统的研究与开发已处于国际先进水平。 在各种各样的“高炉专家系统”开发中，具有代表性的应用研究成果主要有： ( 1 ) 以软融带推断模型为主的模型集成系统，简称s a f a i a 系统，应用在新曰铁大 分厂2 号商炉上。它使用5 3 2 个传感器，8 种软融带模式，专家知识库建立5 8 5 0 条规 则，采集1 2 0 0 条过程机数据，系统采样时闯间隔l s ，推理刿颧给出操作指导的时间间 隔为5 s 。 ( 2 ) 以炉温预报与异常炉况判断为主的“专家系统”，应用在日本钢管福山厂5 号高炉上，简称b a i s y s 系统。它包含9 0 0 令检测点，传感器数据采用l m i n 滤波，专家 知识库含7 0 0 多条规则( 炉热预报5 0 0 多条，炉况判断2 0 0 多条) ；2 m i n 一次 ：瑟测异常 炉况( 包括管道现象和崩料等) ，2 0 m i n 一次炉热状态推断。命中率达8 3 。这是基于传 感器的在线实对瑾“专家系统”。 ( 3 ) 应用在r 本川崎水岛4 号离炉的a d v a n c e dg o s t o p 模型，即炉况判断改进 “专家系统”。 ( 4 ) 应用在新同铁君津3 号高炉上的a l i s 系统，即炉况诊断“专家系统”。 与国际先进水平相比，国内大型钢铁公司投入“高炉专家系统”开发瘦用研究的资 金与技术力量都比较薄弱。其中主要的“专家系统”都要靠国外的技术来支撑。其中主 要的代表有： ( 1 ) 宝钢2 号高炉1 9 8 6 年引进翻本的“g o s t o p 系统”。这是国内巨资引进软件 的第一座高炉。在此基础上，1 9 9 1 年宝钢与复旦大学合作开发了l 号高炉( 4 0 6 3 m 3 ) “炉 况监视和管理系统”，在宝钢1 号高炉上使用至1 9 9 5 年停炉大修。1 9 9 5 年又在2 号高 炉( 4 5 0 3 m 2 ) 上开发，实施了“高炉人工智髓专家系统”。 ( 2 ) 首钢“人工智能高炉冶炼专家系统”。这是2 0 世纪9 0 年代北京科技大学与 首钢合作开发的“专家系统”并应用在其1 7 2 6 m 3 的高炉上。它包括三个子系统：炉热状 态判断子系统( s i 预报) ；炉况顺序判断子系统( 秣料，崩科，淆料等) 和炉体状态 判断予系统( 炉墙结瘤，冷却壁烧穿及漏水等) 。 ( 3 ) “鞍钢1 0 号( 2 5 8 0 m 3 ) 高炉专家系统”，由北京科技大学，东北大学和鞍钢三 家单位合作共同开发开发。 ( 4 ) 武钢4 号高炉( 2 5 1 0 m 3 ) 1 9 9 7 年引进的芬兰罗德洛基公司的“高炉控制专家系 统”。 ( 6 ) 人工神经网络模型 人工神经网络是一种模仿人类神经系统的数学模型，具有自学习、自组织、自适应 和非线性动态处理等特性，并具有极强的抗噪声能力和联想能力。利用神经网络模型进 行预报，不须像其他预报模型那样建立一种显示的预报公式，是一种很有发展前途的预 辽宁科技大学工程硬士论文绪论 报方法。 神经网络是由大量简单的神经元相互联接，模拟人的大脑神经处理信息的方式，进 行信息并行处理和非线性转换的复杂网络系统。人工神经网络处理信息是通过信息样本 对神经网络的训练，锼其具有人的大脑的记忆、辨识能力，完成各种信息处理功能。人 工神经网络其有良好的自学习、自适应、联想记忆、并行处理和j # 线性转化的能力，避 免了复杂数学推导在样本缺损和参数漂移的情况下，仍能傈证稳定的输出。人工神经网 络这种模拟入脑智力的特性受到学术界的高度重视和广泛研究。已经成功地应用于众多 领域，如模式识别、图象处理、语音识别、智能控制、虚拟现实、优化计算、人工智能 等领域。 按照神经网络的拓扑结构和运行方式，神经网络模型分为前馈多层式网络模型、反 馈递归式网络模型和随机型网络模型。目前在模式识别中应用成熟较多的模型是前馈多 层式网络中的b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ，简称为b p ) 神经网络模型。 b p 网络是神经网络预测铁水含硅量最常用的方法，但是b p 算法是一种典型的监督 型学习方法，需要积累大量的样本后进行统一的训练，刁；能根据新的样本渐进地调整网 络的内部权值。标准b p 网对于随时阍而不断变化的时间序列多步预测闫题具有很大的 局限性”“”。 模型的优点： 采用三层b p 反向传播网络，采用相近碳含量的参考炉的温度和耗氧量作为输入变 量有助于提高模型精度，本模型能够自动生成训练样本自我更新，模型的前处理在一定 程度上提高了模型的控制水平。 根据转炉冶炼终点碳湿之间的相关性建立的基于双输出神经网络转炉终点碳温控 制模型具有较高的适应性和命中率。对神经网络的输入数据进行透当的预处理，可以提 高神经网络的效率，同时为了适应生产的需要，还对数据进行筛选、剔除错误数据，生 成神经网络的训练数据集。这样模型能够在生产过程中自动训练、自动更新，从丽更加 适合生产的需要。 1 。2 基于统计原理的模型现状与发展 2 1 统计学在社会领域的应用 高炉炼铁是钢铁工业最重要的环节之一。在高炉炼铁过程中存在很多的问题，其 中生产数据的不稳定是最突出的问题之。生产数据的不稳定也就意味着生产出的产品 磺量的不稳定。基于这种情况，我们可以利用统计学的方法来分析这类问题。 统计是一门融合了自然科学和社会科学的学问，它具有广泛的应用前景。这样说是 因为：首先，在2 0 世纪的后半个世纪，人文社会科学的发展与统计学的关系越来越紧 密，统司学的发展已经渗透到了人文社会科学的许多领域，并由此产生许多新的学科， 6 辽宁科技大学工程颂士论文绪论 如人口统计学、教育统计学、社会统计学等等。统计学与人文社会科学的结合，改变了 原有单一学科发展的思路、视野和应用功能，对人文社会科学的发展具有极大的支撑作 用；反过来，这种结合又促进了统计学的发展。但是，最根本的是统计学对人文社会科 学巨大的推动作用，这种推动作为一个大趋势还将在2 j 世纪得到更充分的体现。蕻次， 2 1 照纪是信息经济的时代，信息经济时代的特征是计算棍的普及应用，但是，从本质 上讲，信息经济所依赖的刁i 只是信息处理手段的先进性，更重要的是信息收集、整理的 准确性，而准确的信息收集、整理离不开统计学学科的发展。因此，统计学对信息经济 的发展同样其有重要的支撑作用。再有，目前在我国，统计学的发展还处予初级阶段。 一说到统计，人们总想到的就是报表，而不是从学科角度认识它。实际上，统计学不仅 在物理、化学等自然科学领域广泛应用，而且在政治、经济、文化、历史等社会实践和 学科发展中都有深入豹应用。目前在发达国家，统计学是强势学科，而在我国，统计学 还仍是弱势学科，这个现状也决定了统计学在我国有更大的发展空间”“。 1 2 2 数据处理与分析的方法 ( 1 ) 回归分析 回归分析是基于观测数据建立变量问适当的依赖关系，以分析数据的内在规律的统 计方法。它从自变量和因变量的一种观测数据出发，寻找一个函数式，将变量之间的统 计相关关系近似的表达出来，这种能够近似表达自变量与因变量之间的函数式，称为回 归方程或回归函数。回归方程可以式线性的，也可以是非线性的。 回归分析的缺点是当方程中变量很多时，甚至不可以计算，即计算膨胀，此时可用 分步几次回归加上工程判断来弥补，由予对先验知识的依靠较大，归一化方法建模对处 理数据量不大且质量不够好的数据有用，而对数据量大、质量好且信息较完整的数据建 议还是来用回归分析方法，以避免过多的主观判断，对于数据最不大且离散性大的数据， 回归分析方法给出的结果可能不佳，当生产操作条件或产品设计条件发生更改时该方法 可为工艺或产品特牲发生的变化提供定量模型。 ( 2 ) 主成分分析和因子分析 主成分分析是把多个指标化为少数几个综合指标的统计分析方法。它找出几个综合 因子( 主成分) 来代表原来众多的变量，使这些综合因子尽可能地反映原来变量的信息 量，而且彼此之闻互不娟关。因子分析也是一种把多个指标化为少数几个综合指标的多 元统计分析方法。主成分分析的主要作用是：一使输入变量征交，这样变量间就不相 关了：二对主成分从大到小排序；三去掉对输入变量的变化贡献最小的主成分。因 子分析是将实测的多个指标，用少数几个潜在的指标( 因子) 的线性组合来表示。园子 分析可以看成是主成分分析的一一种推，“，两者都是设法降低变量维数，同时将变量变为 独立变量，以便更好地说明多变量之间的关系。主成分分析法可将多个性状，根据它 们闻的相关性，找出能反应主要信息的少数几个彼此阍独立的综合性状，并显示出更稳 辽宁科技大学工程硕士论文绪论 定的统计性质，它主要用丁二简化数据结构，寻找综合因子，样品排序及分类等方面。因 子分析的主要应用有两个方面，一是寻求基本结构，简化观测系统；二是对变量或样本 进行分类。 ( 3 ) 方差分析 方差分析是英国大统计学家费希尔在2 0 世纪2 0 年代创立的。方差分析是对所观察 的变量进行分离，通过对变量组元的分析估计，为控制图和产品性能及产品交付设计样 本结构，它是优化质量改进的工作基础。方差分析本质上是关于多个具有方差齐性的正 态总体，对其均值作检验与估计的统计方法。 除了上述方法，还有抽样及验收方法及检验和试验的统计方法。应用统计方法所得 到的文件可能是证明产品符合质量要求的有效手段，也可能是证明质量体系有效运行的 证据：同时，文件本身也可作为一种质量记录。 ( 4 ) 聚类分析 聚类分析是在不知道事物分类的情况下，利用其数量指标的数据结构，依据某种聚 类准则对事物进行分类。它的基本原理是：首先将一定数量的样品或指标各自看成一类， 然后根据样品( 或指标) 的亲疏程度，将亲疏程度最高的两类进行合并1 。然后考虑合 并后的类与其他类之间的亲疏程度，再进行合并。重复这一过程，直至将所有的样品( 或 指标) 合并为一类。 ( 5 ) 判断分析 在自然科学和社会科学的研究中，研究对象用某种方法已划分为若干类型，当得到 一个新样品数据( 通常是多元的) 要确定该样品属于已知类型中哪一类，这类问题属于 判别分析。 判别分析从各训练样本中提取各总体的信息，构造一定的判别准则：判断新样品属 于哪个总体，从统计学的角度，要求判断准则在某种准则下是最优的，例如错判的概率 最小或错判的损失最小等。 ( 6 ) 时间序列分析 时间序列是按照时间顺序排列的，随时间变化且相互关联的数据序列。时间序列分 析的基本思想是根据系统有限长度的运行记录( 观察数据) ，建立能够比较精确的反映 时间序列中所包括的动态依存关系的数学模型，并借以对系统的未来行为进行预测。 作用： 1 ) 理论性模型与数据进行适度检验，以讨论模型是否能够正确的表示所观测的现 象： 2 ) 划系统所处的状态及其结构性，从而达到认识和解释系统之目的； 3 ) 描述系统的运行规律性，从而达到认识规律和掌握规律性之目的： 4 ) 控制系统的未来行为，从而达到利用和支配系统之目的。 辽宁科技大学工程硕士论文绪论 1 。2 。3 六西格玛及其应用软侔 ( 1 ) 西格玛是统计中的一个术语，表示标准离差，它显示了在系列的测量值中， 或者在生产流程中某一指标偏离正常值的程度。而六西格玛是统计学上的概念，它是按 照缺陷程度对生产流程进行衡量的。即在每1 0 0 万个机会中只能够有3 4 个机会出现次 品。另外，它也是一种管理哲学，强调要在对整个生产流程利理解、德量和改善的基础 上进行实际操作来消除生产滚程中的缺陷。 闭1 1 六西格玛数据分析技术流程 它是一项以数据为基础，追求几乎完美的质量管理方法，通过消除变异和缺熬来实 现零差错率。它的管理方法重点是将所有的工作作为一种流程，采用量化的方法分析流 程中影晌质量的因素，找出最关键的因素加以改进从而达到更高的客户满意度。 六西格玛管理主要是以经济性为核心特征的现代质量管理，它把顾客放在第一位， 利用数据和事实来驱动更好地解决质量问题办法。六西格玛十分重视统计方法，但是统 计方法并不是六西格玛的全部。六西格玛的目的是解决问题，丽不是得到一个最终的统 计数据。它已经作为项成熟的统计技术，广泛地应用于摩托罗拉、通用电器和诺基亚 等跨国公司。 其核心部分为： i ) 定义：即定义项目、目标和向顾客交付的物品( 内部和外部) ； 2 ) 测量：即测量目前生产流程的生产能力； 3 ) 分析：分析和决定造成缺陷的根本原因； 4 ) 改进：改进流程以消除流程中的缺陷； 5 ) 控制：整个生产流程的生产能力。 在六诬玛数据分析中涉及了很多的处理方法，如相关性分析、回归分析和稳定性 9 辽宁科技大学工程硕士论文绪论 分析等等，其中也用到了很多的图表，如散点图、控制图、直方图等等。 由于本文的篇幅限制，在六西格玛具体应用中涉及到了一些具体的数据分析方 法，比如：相关性分析、回归分析和稳定性分析等数据的数学处理方法，将在后面详细 介绍。 ( 2 ) m i n i t a b 软件是六西格玛质量管理最为有效和方便，最受推崇的计算软件。 它也是一套最容易学习的统计软件，而且它也具有强大的数据处理功能，可以更容易的 实现数据的相关性分析、回归分析以及稳定性分析等等，此外也可以轻松的实现各种图 形的绘制，总之，m i n i t a b 让数据资料分析变得更为容易更为简单。更为重要的是，使 用者不须要具备深厚统计背景也可以轻松的使用m i n it a b 软件。 现今，m i n i t a b 也已是首屈一指的统计教学软件；而在商业或工业生产上，m i n i t a b 更是产品研发与品质控管不可或缺的工具。目前，有越来越多人利用m i n i t a b 来学习统 计学，因为其完整的数据分析工具、直觉的使用者接口、广泛的统计功能、高品质的绘 图以及强大的宏语言，使m i n i t a b 成为适用于个人计算机上的标准统计软件。事实上， 全球前5 0 0 大的企业中，绝大多数都将m i n i t a b 列为其工业生产中不可或缺的重要分析 工具之一。 m in it a b 是为质量改善、教育和研究应用领域提供统计软件和服务的先导m i n i t a b 统计软件为质量改善和概率应用提供准确和易用的工具。m i n i t a b 被许多世界一流的公 司所采用，包括通用电器、福特汽车、通用汽车、l g 、东芝、诺基亚、以及s i xs i g m a 顾问公司。作为统计学入门教育方面技术领先的软件包，m i n i t a b 也被4 0 0 0 多所高等 院校所采用。 在本文中就采用了六西格玛数据分析的软件：m i n i t a b 软件，通过稳定性分析可以 看出硅、硫元素及其影响因素的是否稳定，可以通过分析调整不稳定因素，来指导高炉 稳定高效生产。 1 3 数理统计分析高炉硅、硫元素及其影响参数的目的、方法、及意义 1 3 1 硅、硫元素对高炉的影响 ( 1 ) 硅对高炉的影响 1 ) 硅对钢铁性能的影响 硅是常用的脱氧剂，也是钢中的主要合金元素，它是钢中的有益元素。在沸腾的钢 中，含硅量很低，硅是作为脱氧元素加入镇静钢中。硅增大钢液的流动性。除形成非金 属夹杂物外，硅溶于铁素体中。此外，硅也是增大钢的强度硬度的元素，在碳钢中每增 加o 1 硅，可使热扎钢的抗拉强度提高约7 8 - - 8 8 兆牛米2 ，伸长率下降约0 5 ，钢 的面缩率和冲击韧性下降不明显。但是，当含硅量超过0 8 1 0 时，则引起面缩率下 降，特别是冲击韧性显著降低。 此外，硅还可以提高钢的淬火性和抗回火性，以及提高钢的综合机械性能。如： 1 0 辽宁科技大学工程硕士论文 绪论 含硅量在5 6 酌中砖耐热铸铁，可以在8 5 0 以下使用；含硅量在1 5 以上的过共晶 铝硅合金，其耐磨性好，线膨胀系数小；含硅量在1 6 1 8 的高硅铸铁，可以用于制作 耐酸泵和阀壳体等”。 2 ) 硅含量对高炉炼铁的影晌 铁水中的含硅量，它是反映高炉工作状态和产品质量的一个重要指标。它的高低在 炼铁过程中受到很多因素的影响，也就是说，它是一个不稳定的生产数据。 高炉冶炼过程热状态是影响高炉优质、低耗、高产、长寿的重要标志。而高炉的热 状态主要与硅含量的商低有着直接豹关系。 在高炉冶炼过程中高炉的热状态通常存在以下情况”： ( 1 ) 高炉冶炼过程是在密闭容器中炉料与煤气逆流运动中进行，具有多体系交织 的复杂高温物理和倾泻过程，过程参数是不均匀和非线性的。 ( 2 ) 到目酶为止，全面、准确监测高炉冶燎过程尚不可能，炉腰及风口探管也只 能监测和观察局部过程，过程参数的准确采集和及时处理十分困难。 ( 3 ) 影响高炉热状态参数有很多，主要有入炉原料和燃料数量、性能，鼓风条件， 设备及闪动系统工作状况及大气、渣铁= _ # 放等环境条件。过程的波动具有强耦合性和不 可预测性。 ( 4 ) 过程参数很多具有时序性和滞后性，如入炉原料条件变化要5 n 8 + 时后才请e 显现出影响，而鼓风象件变化又较迅速，与此同时，输出变量的变化相同可能因高炉的 “惰性”而产生的后果不同，常常与高炉状态及炉况趋势有关。 ( 5 ) 高炉热状态还受高炉炉况的影响，在特殊情况下需要人为干预。 因此，准确的分析和处理高炉炼铁过程的硅含量的数据，对于高炉的优质、低耗、 高产具有重要的意义。 3 ) 高炉炼铁中影响硅含量的因素 铁水中的硅主要来源于滴落带中豹s i 晚与铁水中的碳发生的还原反应在高炉冶炼 的过程中影响硅含量的多少主要有以下几个因素“： ( 1 ) 冷风流量压力( 2 ) 热风温度( 3 ) 透气性指数( 4 ) 富氧率 ( 5 ) 炉顶温度( 6 ) 喷媒量( 7 ) 焦碳负荷灰分( 8 ) 炉况品位 ( 9 ) 高炉熟料率( 1 0 ) 炉颈煤气压力( 1 1 ) 炉料中个成分含量 ( 1 2 ) 批量速率( 1 3 ) 炉渣的二元碱度( r = c a o s i o ：) ( 2 ) 硫对高炉的影响 1 ) 高炉中巯的危害 一般来说，除易切削钢外，硫是钢中的有害元素。中国国家标准规定生铁中含硫量 最高不得超过0 0 7 ，企业则常以其生铁含硫0 0 3 作为质薰考核指标。因此高炉脱硫 是生产合格铁水的蓄要问题。 在高炉炼铁中脱除硫的过程是钢铁生产最重要的脱硫环节。硫能溶于液态生铁形成 无限溶液，硫在固态铁中虽然溶解度很小，但它能以硫化物如f e s 等形态富集在晶粒问 辽宁稃技大学工程硕士论文绪论 界上，形成低熔点共晶体f e s “”。在加热到一定温度时，铁中便会出现液据，从而导致 铁和钢的热脆，在轧钢和铸造时，钢材易出现裂纹。硫在钢中还能形成硫氧化物，使热 脆在更低的含硫量和温度下发生。铁和钢中还能形成各种硫化物夹杂，它们与其他非金 属夹杂物一起对钢材的力学性能产生有害影响。铸造生铁含硫量离时，铁水黏度增大、 降低铁水填充性使铸件中产生气泡。钢的氢脆与钢中硫化物夹杂也有密切的关系，硫化 锰是钢基体点腐蚀的发源地。钢在加工过程中m n $ 等要发生变形并延伸成条状，这种条 状的硫化物破坏钢材的连续性，降低钢材的性能，使钢材出现各向性能差别较大，钢的 蕊性和韧性降低钢的热加工性交坏，特别是使钢材横断面塑性大幅度下降。硫对钢力 学性能的影响，不仅和硫的含量有关而且还和所形成硫化物夹杂的颗粒大小、形状分布 以及机体的组织有关。当钢中的含硫量小于0 0 】5 时就不足以形成连续的网状支晶间 夹杂物，但由于凝强时硫会出现宏观偏析，所以不论是在连铸时或铸锭时，在铸件的菜 些局部区域都会有杂质富集，因此在普通浇注条件下，即使钢中的硫含量小于0 0 2 也 会有较大的夹杂在局部沉析出来。 2 ) 硫在高炉中的运动 硫在钢铁中是一个最有害的元素，为了减少其危害，必须降低硫在钢铁中的含量， 从理论上说，脱硫应在高炉炼铁时完成，炉料中的硫随着炉料下降和温度升高一部分逐 渐灰发避入煤气。焦碳中的有机硫在炉身下部到炉腹有3 0 5 0 | 奠c s 及c o s 等化台物 形态先挥发，其余则在气化反应和风目前燃烧时生成s o 。，i i s ：和其他气态化合物进入煤 气。矿石和煤气中的硫也有部分经分解或反应生成硫蒸汽或s 0 。进入煤气。进入气相 的硫在上升过程中少部分随煤气溢出高炉，大部分又被下降的炉料吸收。在高炉的高温 区和低温区之阔形成硫的循环。在快状带，矿石在2 0 0 9 0 0 时吸收硫较少，在1 0 0 0 左右时吸收加快。在软熔带，炉料的吸硫条件好、硫含量增大。在滴落带，融化滴落的 渣、铁剧烈的吸收煤气中的硫，同时发生硫由铁向渣中转移。在炉缸聚集的渣铁界面， 脱硫反应继续进行，壹到出铁时，铁曰通道内下渣与铁水仍然进行着铁的脱硫。生产实 践和研究表明，在高炉冶炼炼钢生铁时，有5 左右的硫随煤气溢出高炉，而在冶炼铸 造生铁时此值可达到1 0 1 5 。在高炉冶炼锰铁、硅铁等铁合金时，因焦比高，炉顶 温度高焉使随煤气溢出高炉的硫量增大，但也在5 0 雌下，其余的硫分配在炉渣与生铁 之间。因此高炉的脱巯主要是靠炉渣在上述三处脱去铁水中的硫“o 。 3 ) 降低生铁含硫最的途径 ( 】) 降低炉料带入的总硫量 减少入炉踉、燃秘 含硫量，是降低生铁含巯量，获得生铁的根本途径和有效措施。 同时，由于硫负荷减少，可减轻炉渣脱硫负担，从而减少溶剂用量和渣量，对降低燃料 和改善顺行都很有利。炉料中的硫大部分由焦碳带入，一目降低焦比( 燃料比) 的措施 都有乖于减少入炉硫量，一切降低焦碳和喷吹煤粉含硫量措施都能有效降低硫负荷。出 于炼焦过程去硫不多，主要靠加强洗煤来去除其中的无机硫。 降低铁矿石含硫量的主要方法。一是选矿，= 是焙烧和烧结。选矿可除去矿石中的部分 辽宁科技大学工程硕士论文 绪论 硫。例如对于磁黄铁矿( f e s 。) ，可通过磁选去硫；对于黄磁铁矿亦可通过磁浮联选去 硫。焙烧和烧结都可去除矿石中的大部分硫。因此，再采用烧结和球翮矿的条件下，由 矿石和溶剂带入的硫不多，减少入炉硫量的主要途径是处理焦碳和煤粉。 ( 2 ) 提高煤气带走的硫量 炉料中有相当大一部分在分解反应后以硫和s 0 2 、s o 。、 ：s 等形态挥发转入到煤气 中。但在煤气流，匕升与炉料接触过程中，有一部分硫又被炉料中的c a o 、f e o 和海绵铁 吸收而带入下部。c a o 的吸硫作用在高温区、低温区都能进行。所以在高炉中实际上总 有一部分硫随煤气和炉辩运动丽在高炉内镳环。随煤气逸出炉外的硫，受焦比、渣量、 碱度、炉温等复杂炉温的影响，如高温有利于硫挥发，但炉温高低首先取决于铁种，_ 丽 不能单为汽化脱硫采取调节炉温措施。生产统计，随煤气逸出的硫大约是：炼钢生铁为 5 2 0 ，铸造生铁为3 0 ，铁合金为3 0 5 0 。可见，冶炼高温生铁有利于挥发去硫。 ( 3 ) 改善炉渣脱硫性能 改善炉渣脱硫性能主要是增大渣铁间硫的分配比，可以通过增加炉渣碱度、降低炉 渣的黏度，增大渣量、增加炉缸炉缸温度等来进行调节”。 。3 。2 本论文研究的髫的、方法、及意义 高炉炼铁铁水硅、硫含量的研究有两个方向：第一，预测并优化的方法来对铁水的 含硅、硫量进行控制：第二，对铁水含硅、硫量的生产数据进行统计和分析，来反映发 生的问题的性质、程度和原因，来判定生产过程数据的稳定性等。 本文采用六西格玛的数据处理方法( m i n i t a b 软件作为辅助工具) 对鞍钢1 i 号高炉 在9 、l o 月里铁水中硅、硫翕量的生产数据进行处理和分析。其中，在分丰厅数据之前首 先对原始数据进行了处理，共剔除了l o 天的生产数据( 具体见附录a 和附录b ) 。 本文数据分析的基本思路： 1 ) 定性分韦厅： ( 1 ) 数据分析之前，首先要考虑各自变量与囡变量之间是否有相关关系。 ( 2 ) 分别绘制硅、硫含量( y ) 与各个影响因素( x ) ，如制作散点图，在直观上测 定它们之间是否有线性关系。 ( 3 ) 再分别计算它们之间的相关系数，进一步明确它们之间的相关关系。 ( 4 ) 建立回归的模型。首先用逐步回归分析剔出次要因素，然后再根