基于最低成本的高炉配料结构模型及应用

1、基于最低成本的高炉配料结构模型及应用郭宪臻1,2 焦虎丰2,3 马钦海1（1、东北大学工商管理学院 辽宁 沈阳 2、安阳钢铁集团公司炼铁厂，河南 安阳 3、北京科学大学冶金与生态工程学院，北京 ）摘要：本文分析了几种比较典型的配料模型存在的不足，提出了基于最低成本的高炉配料结构模型，论述了该模型的理论依据、模型构成和模型中各个组成部分的实现原理，实践表明，该模型可以找到同时满足成本最优和冶炼性能最优的炉料结构。关键词： 最低成本 配料结构 模型Based on the lowest cost structure of the blast furnace model and the applic

2、ation of ingredientsGuo Xianzhen1,2 JiaoHufeng2,3 Ma Qinhai1(1、School of Business Administration,Northeastern University,Shenyang ,China2、Ironmaking Plant, Anyang Iron & steel Group Co., Ltd, Anyang ,China3、School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beiji

3、ng,Beijing ,China）Abstract: This paper analyzes several ingredients typical model shortcomings, based on the lowest cost structure of the blast furnace batching model, discusses the theoretical basis of the model, model structure and model to achieve the various components of the theory, practice sh

4、ows that The model can be found at the same time meet the cost-optimal performance and smelting furnace charge optimal structure.Key words: the lowest cost, ingredients structure, model0前言从钢铁联合企业生产结构来讲，铁水是主要的炼钢原料，炼铁工序是钢铁企业的能耗大户，炼铁能耗约占钢铁生产能耗的70% 以上，生铁成本的高低对钢铁工业的发展有举足轻重的作用。近年来，由于炼铁产能迅速扩张，导致炼铁原燃料资源紧缺、原

5、燃料价格及炼铁成本大幅度上升。随着市场需求不断变化，炼铁生产工序正在经受着从追求产量到追求低成本的根本性变化。炼铁所用铁矿石，包括烧结矿、球团和天然矿石，其费用在生铁制造成本中所占比例最大，一般为58%65%，在大中型企业中最高的可达76.5%，各企业间资源条件差距较大，也说明这部分费用可压缩性强，降低潜力大1。由此可见：降低铁水成本的主要重点首先是优化炉料结构，降低炉料结构成本。在高炉生产中，各种含铁炉料的性能和使用情况对铁水的产质量及成本有重要影响。传统的高炉炉料配料,无论是用手工、Excel表格还是通过配料计算软件进行计算，都是以化学成份及常温性能等方面为基础进行计算，而对含铁炉料的高温

6、行为和作用考虑的甚少2；或者停留在定性分析，如提出合理的高炉炉料结构就是无熔剂或少熔剂的情况下造出适宜碱度和成份的炉渣、要求具有良好的高温冶金性能，能在高炉内形成合理稳定的软熔带等等3。这些方法都无法找到同时满足成本最优和冶炼性能最优的炉料结构。本文结合高炉炉料结构研究方面的最新成果 ,利用炼铁工艺计算和线性规划原理，在满足高炉冶炼性能要求的前提下，以成本最低为目标函数建立了一套高炉优化配料模型。 1 优化配料模型的设计思路为了合理地改进高炉操作和用电子计算机控制高炉生产过程，就必须首先对高炉现象建立相应的物理化学模型，并将物理化学模型转化为相应的数学模型。高炉配料数学模型是根据入炉料条件、高

7、炉冶炼操作制度等因素建立的用来确定最优的配料方案的数学模型。高炉配料数学模型所要解决的问题是，随着高炉入炉料的品种及其化学成份和物理性质的变化，按照稳定炉况的最优方案来改变入炉料的炉料结构，使高炉生产实现高产、优质低耗、低成本。高炉配料的最优方案是依据高炉顺行和高产的条件实现的，这种符合一定条件，而存在着最优值的问题，可以用线性规划方法来求解。本模型的设计,是结合炉料的化学成份、冶金性能和炉渣相图等，在满足冶炼性能的基础上，以吨铁成本为目标函数,建立约束条件,通过优化配料模型计算得出成本最低、冶金性能最优的炉料结构方案。2优化配料计算的数学模型2.1 数据建立数学模型所需数据包括：各种入炉物料

8、的化学成份及价格；各种入炉物料单位的消耗量或消耗范围；各种产品如生铁、炉渣等的化学成份范围；冶炼参数：生铁的种类和规格，各元素在炉渣、生铁和煤气中的分配率，炉渣碱度范围，高炉冶炼强度等。2.2 决策变量炉料结构为各种料的配比情况，本文中设有n种入炉料，每种入炉料对应一个决策变量，因此有n个决策变量：X1，X2Xn（t/t铁）2.3 约束条件高炉线性规划模型的约束条件是由制定好的冶炼制度所规定的一组极限数符表示的方程式。约束方程式与冶炼制度的条件相对应。约束条件来自下面几个方面: 铁量平衡、炉渣碱度上下限、渣量、渣中MgO 、 Al2O3上下限、焦炭负荷、煤比、生铁含硫、生铁含锰、生铁含磷等等。

9、约束方程式是由一组变数Xj和一组系数aij组成。其一般形式为：（i=1，2，m-1，m；j=1,2,，n-1,n）根据前述冶炼条件组成约束方程式：(1) 出铁量平衡方程铁、锰、磷等进入生铁中的数量主要取决于它们在原料中的含量，而硅、钛、硫、碳等则取决于冶炼制度。 各种入炉料的理论出铁量计算公式为：e= 式中 Fe，P，Mn原料中该元素的含量，。 Ce，Sie，Tie，Se各元素在生铁中的含量，。 Fe，P，Mn各元素进入生铁的分配率。于是可得铁量平衡方程式：a1,1X1+a1,2X2+ a1,nXn=1 (2)造渣制度约束方程造渣制度是高炉四大基本冶炼制度之一，它对于高炉的产量、生铁质量、焦比

10、、生铁成本和高炉寿命等都有重大的影响，所谓造渣制度，通常就是根据高炉的原料和冶炼的生铁品种等条件，选择一个流动性、粘度、熔化性温度和脱硫能力等性能适宜的终渣成分。为了进一步改善高炉冶炼的技术经济指标，特别是进一步提高高炉利用系数和高炉寿命，安钢与重庆大学合作对高炉炉渣的物理性能和脱硫性能进行了实验研究，对寻找最佳造渣制度找到了理论依据45。 炉渣碱度约束方程每种原料的自由碱性氧化物也就是原料自身的碱性氧化物按碱度要求造渣后多余的或造渣时不足的碱性氧化物量，显然碱性熔剂和烧结矿是会多余的，是正值，其他物料是不足的为负值6。以二元碱度为例，它们可按下式计算：=CaO-R(SiO2-2.14eSie

11、)式中 R炉渣的二元碱度，Sie-生铁中硅的含量。安钢与重庆大学合作对安钢高炉炉渣的物理化学性能进行了研究，得出了生铁含硫、硫在渣铁中的分配系数Ls和炉渣碱度关系图与炉渣粘度、熔化性温度tm和炉渣碱度关系，图分别如下：图2 安钢炉渣和tm与炉渣碱度的关系图图1 安钢生铁S和Ls与炉渣碱度的关系图由图1、图2可以找出在使炉渣在高温下具有良好流动性、稳定性和较强脱硫能力的炉渣碱度范围，从而得到炉渣碱度上、下限约束方程：炉渣碱度上限约束方程：a2,1X1+a2,2X2+ a2,nXn0 炉渣碱度下限约束方程：a3,1X1+a3,2X2+ a3,nXn0 渣量约束方程a4,j为各种入炉料所产生的理论渣

12、量，设渣量限制为Z（t/t生铁），则渣量约束方程为：a4,1X1+a4,2X2+ a4,nXnZ 渣中MgO含量约束方程安钢与重庆大学合作对安钢高炉炉渣的物理化学性能进行了研究，得出了生铁含硫、硫在渣铁中的分配系数Ls和炉渣中氧化镁关系图与炉渣粘度、熔化性温度tm和炉渣中氧化镁关系图，分别如下：图4 安钢炉渣粘度和tm与（MgO）的关系图图3 安钢生铁S和Ls与(MgO)的关系图渣中MgO主要作用是降低炉渣粘度，改善流动性能，从图3、图4可以找出炉渣中MgO含量最适合范围，从而可以得到MgO含量上下限约束方程。渣中MgO含量上限约束方程：a5,1X1+a5,2X2+ a5,nXn0 渣中MgO

13、含量下限约束方程：a6,1X1+a6,2X2+ a6,nXn0 (3) 生铁成份约束方程（本文以生铁S为例）生铁含硫范围可以由高炉操作方针给出或通过对生产数据进行统计得出，根据生铁含硫范围最大值Se(max)和最小值Se(min）,可以得到生铁S约束方程为：a7,1X1+a7,2X2+ a7,nXn0 a8,1X1+a8,2X2+ a8,nXn0 其中:a7,j=SsSe（max）ea8,j=SsSe（min）e(4) 上面给出了几个简单的由约束条件建立约束方程式的方法,另外还可以按照其它的数学模型综合起来提出若干个约束条件, 如氧平衡、碳平衡、热平衡等等来建立约束方程式。2.4 绩效测度这里

14、以入炉料的最低成本为目标，所以用炉料结构成本作为总的绩效测度，目标函数为：TCmin = C1X1+C2X2+CnXn 式中，TC表示吨铁入炉料成本; Xi 表示第 i种原料的配入量; Ci表示第 i种原料的单价,元/t。3 模型应用模型计算中需要确定的数据：（1）生铁品种及其成分6。根据生产计划和冶炼条件等来确定生铁品种及其主要成分含量。以冶炼制钢生铁为例，其成分如表1。表1 炼钢生铁成份（%）FeSiMnPSC合计94.4780.550.5000.070.0224.38100（2）各种元素转入渣中的数量和还原入铁中的回收率6，见表2：表2 各种元素在炼钢生铁及渣中的分配元素在渣中的分配率在

15、生铁中的分配率Fe0.0020.998Mn0.30.7P01.0S0.850.07（3）各种入炉料的化学成份及价格如下表：表3 入炉料成份及价格X1X2X3X4Xn-1XnTFe%56.9562.8962.0367.1866.5955.23SiO2%5.116.005.773.264.239.72CaO%9.991.001.810.200.20.2Al2O3%1.490.602.62.850.891.73MgO%2.121.880.200.200.20.2S%0.030.030.030.030.030.412价格 元/t123311062009110814001021将以上数据输入到基于最低成

16、本的高炉配料结构模型中进行求解，得到炉料结构结果（如表4所示），可以找到同时满足成本最优和冶炼性能最优的炉料结构。 表4 炉料结构计算结果烧结矿,%水球,%印球,%印块,%澳块,%海南块，%炉料结构成本，元/t按成本排序786.745.031.6208.612065.91795.7552.8407.412066.22804.774.974.0506.212066.53777.15.642.9107.362067.24767.426.274.3505.962068.75757.756.915.7804.572070.16748.077.547.2103.172071.57738.188.416.

17、12.421.882083.18728.29.364.065.740.642098.4971612.56010.4402152.710705.0714.48010.4502177.3114 结语高炉的稳定和顺行需要以科学合理的炉料结构作支撑，经济适用的炉料结构是高炉优质、高产、低耗、长寿的基本保证。如何找到同时满足成本最优和冶炼性能最优的炉料结构就成了一个值得研究的课题。本模型结合炼铁专家知识、高炉生产实际情况、线性规划理论，建立了基于最低成本的高炉配料结构的模型，它通过对满足决策变量的可行值限制的约束条件，求出对问题全绩效测度的目标函数值最小时的决策变量最优解。因此，此模型计算出来的炉料结构，可以同时满足成本最优和冶炼性能最优。参考文献1 刘琦.钢铁