高炉焦比目标优化模型应用及结果分析

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.04.005 第23卷第4期 北京科技大学学报 Vol.23 No.4 2001年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.2001 高炉焦比目标优化模型应用及结果分析 杨天钧)高斌)卢虎生)龚一波”赵立国” 国宏伟》 1)北京科技大学治金学院，北京1000832)北京科技大学信息工程学院，北京100083 精要介绍了目标高炉应用焦比优化模型在线运行的环境.通过模型在线运行，得到了有 关参数的优化结果.将优化结果与实际生产参数比较，结果是目标高炉降低烧结矿在熟料中的 比例，提高球团矿比例，同时提高风温和富氧率.在煤粉喷吹量达186kgt的基础上，可望将焦 比降低到300kg左右水平. 关键词高炉；焦比；优化；棋型 分类号T℉531 近些年来，高炉炼铁的技术水平和装备水 达到的平衡组成 平进步十分显著.炉料精益求精，含铁品位不断 炼铁生产中，影响焦比的因素相当复杂，现 提高，冶金性能日益改善：热风温度已经达到1 有设备条件，高炉使用的原、燃料条件、工艺参 200℃以上；高压炉顶、富氧和喷煤，煤气余压发 数和所要求达到的产品质量等都可能影响到高 电及电子计算机自动控制等许多新技术相继使 炉冶炼焦比.这些都应该是模型的优化变量. 用，使高炉冶炼技术达到相当高的水平.预计 以具有代表性的钢铁企业高炉为基础，在 在今后几十年内，高炉仍将是主要的炼铁反应 其基本条件下，进行优化.实际生产过程中的变 器. 量作为状态变量，在模型求解中给定.这些状态 然而，高炉炼铁工艺也有难以克服的的缺 变量包括高炉炉容及操作水平，人炉料特性参 点：作为竖炉，为维持炉内料柱的透气性，必须 数等。 使用焦炭，炼焦过程对环境影响很大，投资较 模型的约束考虑了平衡约束：物料平衡约 高，焦煤资源不可再生，限制了高炉的发展，这 束、化学反应平衡约束及热平衡约束.元素平衡 些问题一直困惑着冶炼工作者.因此，在一定的 是最基本的物料平衡.根据炼铁过程基本知识， 技术、装备条件下，为实现与环境友好，更加有 以高炉为体系，确定了过程主要元素如铁、碳、 效地使用焦煤资源，以及降低高炉生铁成本，高 硅、锰、磷、硫和氢、氧等的平衡关系；在此基础 炉冶炼过程应该尽可能地减少焦炭的使用量. 上，平衡还确定了渣量和煤气发生量；同时按高 本文结合这一问题，在综合考虑设备状况，原、 温区热平衡进行热平衡约束.在工艺条件约束 燃料条件和设备条件的基础上，以焦比为目标， 中主要考虑了装料制度、送风制度、造渣制度及 对高炉生产相关参数优化进行了探索 热制度变动的约束 经上述处理，得到以焦比为目标函数的优 1优化模型基本情况 化模型一般形式.这是一个线性规划问题，对其 以焦比最低为目标进行优化，模型进行了 进行标准化，用单纯形法求解 必要的假设：根据高炉冶炼基本原理，将高炉分 2系统构成 为两个区，即上部反应区和下部反应区.在上部 区域高价铁全部还原生成浮氏体；碳的气化反 优化程序的输入参数由高炉现场的生产数 应只在下部区域进行；进人上部区域的煤气成 据库提供，该生产数据库建在SQL Server.上.在 分中，CO/CO2及HH,0,认为是与浮氏体反应 输人的数据中，包括离线获取的数据和在线获 收稿日期20010604杨天钧男，57岁，教授 取的数据.离线获取的数据有原、燃料成分，生 *国家重点科技项目0No97-562-02-01) 铁成分等，分析计算得到这些结果后传送到生

第 23 卷 第 4 期 2的1 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 而. 心1of U咖 e . iyt of sc 触. ce . 回 i 阮h . 。轴盯 取幼恤g 、 乞L2 3 N 0 . 4 A . .g 2加1 高炉焦 比 目标优化模型应用及结果分析 杨 天钧 ” 高 斌 ” 卢虎生 2 , 龚一波 ` , 赵立 国 ” l) 北京科技大学冶金学院 , 北京 1以用 83 2 ) 北京科技大学信息工程学院 , 北京 1 国宏伟 ” 口以】8 3 摘 要 介绍 了 目标商炉应用焦比优化模型 在线运 行的环境 . 通过模型在线运行 , 得到了有 关参数的优化结果 . 将优化结果与实际生产参数比较 , 结果是 目标高炉降低烧结矿在熟料中的 比例 , 提高球团矿 比例 , 同时 提高风温 和富氧率 . 在煤粉喷吹量达 18 6 k幼 的基础上 , 可望将焦 比降低到 30 k幼 左右水平 . 关. 词 高炉 ; 焦 比 ; 优化 ; 模型 分类号 甘 53 1 近些年 来 , 高炉炼 铁的技术水平 和装备水 平进步十分显著 . 炉料精益求精 , 含铁 品位不断 提 高 , 冶金性 能 日益改善 ; 热风温度 已经达到 1 2 0 0℃ 以上 ; 高压炉顶 、 富氧和喷煤 , 煤气余压发 电及 电子计算机 自动控制等许 多新技术相继使 用 , 使高炉冶炼技术达到相 当高的水平12 1 . 预计 在今后几十年 内 , 高炉仍将是 主要的炼铁反应 器 . 然而 , 高炉炼铁工艺也 有难 以克服 的的缺 点 : 作为竖 炉 , 为维持炉 内料 柱的透气性 , 必须 使用焦炭 , 炼焦过程对环境影 响很大 , 投 资较 高 , 焦煤 资源不可再生 , 限制了 高炉 的发展 , 这 些 问题一直困惑着冶炼工作者 . 因此 , 在一定的 技术 、 装备 条件下 , 为实现 与环境友好 , 更加有 效地使用焦煤资源 , 以及降低 高炉 生铁成本 , 高 炉冶炼过程应该尽 可能地减少焦炭的使用量叭 本文结合 这一问题 , 在综合 考虑设备状况 , 原 、 燃料条件和设备条件的基础上 , 以 焦比 为 目标 , 对 高炉生产相关参数优化进 行 了探索 , 1 优化模型基本情况 以焦 比最低 为 目标进行优 化 , 模 型进 行 了 必要 的假设 : 根据 高炉冶炼基本原理 , 将高炉分 为两个区 , 即上部反应 区和下部反应区 . 在上部 区 域高价铁全部还原 生成 浮 氏体 ; 碳 的气化反 应 只在下部 区域进行 ; 进人上部 区域 的煤气成 分中 , C OI CO Z 及 H抓H Z O , 认为是 与浮 氏体反应 收稿 日期 2 0 1 一刃巧刊抖 杨天 钧 男 , 57 岁 , 教授 * 国家重点科技项 目侧。 9 -7 562 刁2一 l) 达到 的平衡组成 . 炼铁生产 中 , 影 响焦 比 的因素相 当复杂 , 现 有设备条件 , 高炉使用 的原 、 燃料 条件 、 工艺参 数和所要求达到的产 品质量等都可能影响到高 炉冶炼 焦 比 . 这些 都应该是模型 的优化 变量 . 以具有代表性 的钢铁企业 高炉为基 础 , 在 其基本条件下 , 进行优化 . 实际生产过程中的变 量作 为状态变量 , 在模型 求解 中给定 . 这些状态 变量 包括高炉炉容及操作水平 , 人炉料特性 参 数等 . 模 型 的约束考虑 了平衡 约束 : 物 料平 衡约 束 、 化学反应平衡约束及热平衡约束 . 元素平衡 是最基本 的物料平衡 . 根据炼铁过程基本知识 , 以 高炉为体系 , 确定 了过程主要元素 如铁 、 碳 、 硅 、 锰 、 磷 、 硫 和氢 、 氧等 的平衡关 系 ; 在此 基础 上 , 平衡还确定 了渣量和煤气发生量 ; 同时按高 温区 热平衡进行热平衡 约束 . 在工艺 条件 约束 中主要考虑 了装料制度 、 送风制度 、 造渣制度及 热制度变动 的约束 . 经上述处理 , 得 到以焦 比 为 目标 函 数的优 化模 型一般形式 . 这是一个线性规划问题 , 对其 进行标准化 , 用单 纯形 法求解 . 2 系统构成 优化程序的输人参数 由高炉现场 的生 产数 据库提供 , 该生 产数据库建在 SQ L eS ~ 上 . 在 输人 的数据 中 , 包括 离线 获取的数据和在线获 取 的数据 . 离线获取 的数据有原 、 燃料成分 , 生 铁成分等 , 分析计算得 到这些 结果后传送到生 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 04. 005

+306· 北京科技大学学报 2001年第4期 产数据库，只有当有关参数发生变化时才更新； 为：生产数据采集一数据整理→优化设计一网页 在线获取的数据包括风量、风温等鼓风参数以 显示 及炉顶温度及压力等参数，这些数据由高炉检 当所需计算数据完整后，优化程序计算，得 测系统实时获得，经信息类型转换后传送到生 到优化结果后输出，计算结果的输出仍为建立 产数据库.实时数据在数据库内20s更新一次， 在SQL Server上的系统数据库.最后存放在系 储存着5d的生产数据. 统数据库中的计算结果作为开发的“高炉人工 数据预处理的功能是：对实时数据进行预 智能系统”的一部分，以网页形式供用户调用如 处理，包括去除噪声、平滑处理等，为数据进一 图1所示.用户可以根据需要调用相应的优化 步处理提供较准确的参数.另外，对由于检测设 网页，将计算结果与当前的操作数据进行对照， 备的问题或生产数据库的暂时性非正常运行而 分析后得到降低焦比的途径 导致的数据缺损，系统将给出报告，系统的结构 本系统基础自动化（一次数据检测系统）采 4产世习0 农祖夜开国庐工Y家 人工暂形 人工鞋疏使水在高护中的评发和利用 A作期管红证式产气究都究系法 角蛙庭纯发维我5军 包 6Q每1 图1高炉人工智能系统主页 Fig.1 Main page of artificial intelligent system of the blast furnace 用欧陆仪表和莫迪康PCL,可以方便地使用网 表1模型计算与生产高炉实际参数比较 络集中监控系统组态软件，实现上、下位机的通 Table 1 The comparison of the calenlation result of model 讯，将各个软件运行、数模计算所需要的生产过 and the real parameter of blast furnace 程数据采集到上位的数据库中 优化变量 实际值 最优值 网络操作系统采用windows NT.这是因为 烧结矿配比/% 69.3 50.88 球团矿配比/% 31.7 49.2 windows NT具有windows的外观，支持图形界 煤比g' 145.4 185.7 面，支持多用户和多任务处理；并且其可靠性、 风温/℃ 1150 1250 兼容性和安全性都较好.按以上的系统构成，作 富氧率/% 1.5 3.0 为开发的人工智能系统的一部分，优化模型已 生铁含硅量/% 0.45 0.28 在线运行 炉渣碱度/Ca0SiO 1.11 1.15 顶乐MPa 0.15 0.20 3模型计算结果及讨论 C0利用率/% 47.8 50.7 焦比/k思1 380.8 303.5 运用建立的焦比优化模型，根据目标高炉 的原、燃料条件，工艺条件及产品质量要求，依 将优化计算结果与实际生产数据比较可以 托上述的高炉过程监控系统，进行了焦比优化 看到，为降低焦比，相关的主要参数都需要进一 计算，得到优化结果，并与实际高炉生产参数进 步提高.在目前的高炉所用熟料中，优化计算的 行比较见表1. 烧结矿比例较低.实际生产中，烧结矿在熟料中 的比例接近70%，而优化计算推荐值显示，烧结

VoL.23 杨天钧：高炉焦比目标优化模型应用及结果分析 ·307· 炉和球团在熟料中的比例基本一致，各占一半. 1250℃，而富氧也推荐使用3%.结合喷煤量的 由于球团矿含铁品位较高，提高球团配比可以 变化可以看出，提高喷煤量，降低了焦比，高温 提高入炉矿品位，降低单位生铁的渣量，减少单 区热平衡发生了较大变化，风口前燃烧碳中，焦 位生铁的热量消耗，降低焦比，提高球团比例对 炭提供的碳有更多部分被喷吹煤粉带入碳代 降低焦比应有较大的作用. 替，高温区热收人减少，而煤粉分解又需要热 高炉喷吹煤粉量在原有的140kg基础上， 量，高温区热平衡发生了较大变化.实践证明， 提高40kg此.喷吹煤粉对于降焦的作用显而易 高炉冶炼过程中，提高风温节焦效果明显，并且 见.它代替焦炭在高炉内的发热剂和还原剂作 提高风温带人的热量增额全部被下部区域使 用，导致焦比降低.应当指出，在所给高炉的条 用，因此应保证有足够高的风温 件下，即使是优化值所给出的喷煤量也不是很 以焦比为目标优化，计算结果表明：与目前 高，尚未达到目前高炉喷煤量超过200kg以上 条件下生产高炉煤气C0利用率相比，优化后 的水平.这可能是优化过程考虑了目标高炉具 煤气C0利用率提高约2%.同时焦比也可能由 体条件所致. 原来的380.8kgt降低到303.50kg/t的水平 生铁含硅量的优化值为028%，接近模型约 4 束条件0.25%的下限，这与通常的认识相符.硅 结论 还原过程属于直接还原，还原进行的区域是在 根据实际生产高炉条件建立了以焦比最低 下部高温区，并且需要吸收大量的热量，因此降 为目标函数的优化模型，并介绍了该模型运行 低生铁含硅，可以减少这部分热量支出，从而减 的环境.通过模型在线运行，得到关于目标高炉 少高温区的热支出，达到降低焦比的目的 的有益信息：(1)熟料中应降低烧结矿用量和提 炉渣碱度要合适.通常情况下，只要保证高 高球团矿用量；(2)应将风温和富氧提高到所能 炉冶炼过程炉渣脱疏能力，应尽量降低炉渣碱 达到的上限，即风温1250℃，富氧3%；(3)煤粉 度.降低炉渣碱度的结果是渣量下降，炉渣带出 喷吹量应提高约40kgt;(4)目标高炉的焦比可 物理热减少，有利于降低焦比.计算结果显示， 望降至303.5kg/t. 以焦比为目标优化，推荐的炉渣碱度值不但没 参考文献 有降低，反而略有升高，炉渣碱度值从1.11上升 1杨天钧.高炉喷吹煤粉氧煤枪的开发与应用.钢铁， 到115，这可能是由于推荐的入炉料含铁品位 1992,27(4):5 提高，渣量减少的原因，为保证冶炼过程炉渣的 2刘云彩。高炉炼铁的技术进步，钢铁工业的前沿技 脱硫能力，需要适当提高碱度 术.见：冶金工业前沿科技信息研究班专集.北京：中 模型计算的风温和富氧都已达到约束条件 国金属学会，2000.9.80 的上限，鼓风温度由原来的1150℃推荐提高到 3 JurgenA philipp..钢铁工业环境控制的现状及远景展 望.见：2000年亚洲钢铁大会论文集，A卷.200071 Optimization Aimed at the Lowest Coke Consumption by Model and Analysis of the Application YANG Tianjun",GAO Bin,LU Husheng?,GONG Yibo,ZHAO Liguo",GUO Hongwei 1)Metallurgy School,USTB,Beijing 100083,China 2)Information Engineering School,USTB,Beying 100083,China ABSTRACT Optimization by model aimed at the lowest coke consumption at the given condition of the blast furnace.The environment of the optimization model used was introduced.Some parameters were obta- ined by modeling on line.Comparing the results parameters of optimization with that of real production,it was shows that the rate of the sinter quantity used ought to be reduced and the pellet quantity increase.The tem- perature of the blast and the oxygen enrichment should use at the highest level that the blast furnace could sup- ply.Based on the condition the pulverized coal injection at 186kg/t,the coke consumption may be lowers to the level of 300 kg/t or so. KEY WORDS blast furnace;coke rate;optimization

V七L 23 杨天 钧 : 高炉焦 比 目标优化 模型 应用 及结果 分析 一 3 07 - 炉和球 团在熟料中的比例基本一致 , 各 占一半 . 由于球 团矿含铁品位较高 , 提高球 团配 比 可以 提高人炉矿 品位 , 降低单位生铁的渣量 , 减少单 位生铁 的热量消耗 , 降低焦 比 , 提高球 团比例对 降低焦 比应有较 大的作 用 . 高炉喷吹煤粉量在原有 的 140 kg/ t 基础上 , 提高 40 k gt/ . 喷吹煤粉对 于降焦 的作用显而易 见 . 它代 替焦 炭在高炉 内的发热剂 和还原剂作 用 , 导致焦 比降低 . 应 当指 出 , 在所给高炉 的条 件下 , 即使是优化值所 给出的喷煤 量也不是很 高 , 尚未达到 目前高炉喷煤 量超过 2 0 k hg 以上 的水平 . 这可能是优化过 程考虑 了 目标高炉具 体条件 所致 . 生铁含硅量 的优化值为 .0 2 8% , 接近模 型 约 束条件 .0 25 % 的下 限 , 这与通 常的认识相符 . 硅 还原过 程属于直接还原 , 还原进行 的区域是 在 下部高温 区 , 并且需要吸收大量的热量 , 因此降 低生铁含硅 , 可以减少这部分热量支 出 , 从 而减 少 高温 区的热支 出 , 达 到降低 焦 比的 目的 . 炉渣碱度要合适 . 通常情 况下 , 只 要保证高 炉冶炼过程炉渣脱硫 能力 , 应尽量 降低 炉渣碱 度 . 降低炉渣碱度的结果是渣量下降 , 炉渣带出 物理热减少 , 有 利于降低焦 比 . 计算结果显示 , 以 焦 比为 目标优化 , 推荐 的炉渣碱度 值不但没 有降低 , 反而略有升高 , 炉渣碱度值从 1 . 1 上升 到 1 . 1 5 , 这可能是 由于 推荐 的人炉料含铁 品位 提高 , 渣量减少 的原因 , 为保证冶炼过程炉渣 的 脱硫能力 , 需要适 当提高碱度 . 模型计算 的风温和富氧都已 达到约束条件 的上 限 , 鼓风温度 由原来 的 1 1 50 ℃推荐提高到 1 2 5 0℃ , 而富氧也推荐使用 3% . 结合 喷煤量的 变化可 以看 出 , 提高喷煤量 , 降低 了焦 比 , 高温 区热平衡发生 了较大变化 , 风 口 前燃烧碳 中 , 焦 炭提 供的碳有 更 多部分 被 喷吹煤 粉带人碳 代 替 , 高温 区 热收人减少 , 而煤 粉分解又需要热 量 , 高温区 热平 衡发生 了较大 变化 . 实践证 明 , 高炉冶炼过程 中 , 提高风温节焦效果 明显 , 并且 提 高风 温带 人 的热量增 额 全部 被下 部 区 域使 用 , 因此应保证 有足够高 的风温 . 以焦 比为 目标优化 , 计算结果表 明 : 与 目前 条件 下生 产高炉煤气 C O 利用 率相 比 , 优化后 煤气 C O 利用率 提高约 2% . 同时焦 比也可能 由 原来 的 3 80 . 8 k hg 降低到 3 03 . 50 k gt/ 的水平 . 4 结论 根据实际生产高炉条件建立 了以焦 比最低 为 目标 函数 的优化模 型 , 并介绍 了该模 型 运行 的环境 . 通过模 型在线运行 , 得 到关 于 目标高炉 的有益信息 : ( l) 熟料 中应降低烧结 矿用量和提 高球 团矿用量 ; (2 )应将风温和 富氧提高到所能 达到 的上 限 , 即风温 1 2 50 ℃ , 富氧 3% ; (3) 煤粉 喷吹量应提高约 40 k gt/ ; (4 ) 目标 高炉的焦 比可 望降至 3 03 . 5 k g 入 . 参 考 文 做 1 杨天钧 . 高炉喷吹煤粉氧煤枪的开 发与应 用 . 钢铁 , 1992 , 2 7(4 ) : 5 2 刘云 彩 . 高炉炼铁的技术进步 , 钢铁工业 的前沿技 术 , 见 : 冶金工 业前沿 科技信息研究班 专集 . 北京: 中 国金属 学会 , 20 .0 9 , 80 3 J . 名e n A hiP l inP . 钢铁工业 环境控制的现状及远景展 望 . 见: 2 00 年亚 洲钢铁大会论文集 , A 卷 . 20 0 71 OP t im 讼at ion A im e d at ht e L o w e s t C o ke C o n S nUr P t l o n b y M o d e l an d A n a l y s i s o f ht e A P Pli e at i o n 别刃G 肠nj u n l ), GA O B in , ), L U H公 h e心 ), G O N G 万 b o l ), Z月讨 O L电侧 0 1 ), G U O OH处浏 e i , , 1) M et al l调叮 S c h o L U SBT , eB ij吨 】(洲洲) 8 3 , C h ha Z) 加肠 n ” 时i on E ng in e 血g s c b o L U SBT , B e lJ叱 10 0() 83 , Ch。 A B S T R A C T QP 俪过鱿ion by m o ds l a加 ed at het fo we st c o k e c o n s nrU P t i o n at ht e g l v e n c o n d it ion of het bl ast fu m a e e . Th e e n v i r o 别m e nt of het o Pt加坛鱿lon m od e l us ed wa s i n tr o du eC d . S om e p ~ e t e r s w er o bt a . ine d by m od e l ing on l ine . C o 扰LP ar in g het er s u lt s p ~ e t e r s of o tP 加iaZ it on w iht ht at of 化ia rP o du c t ion , it ~ s h o w s ht at ht e n 吐e of ht e s in t e r qu an t iyt us ed o 理妞 ot be r e d u c ed an d ht e eP Uet ql 以田t iyt in er ase . T五e t e m - 钾烧山叮e of het bl ast an d het o x y g en e n ir c hJ m ent s h o u ld us e at het hi hg e st le ve l ht at het bl as t fu m a c e c o ul d s叩 - p .ly B ase d on het c o n id t ion het ulP v e n Z e d co ia inj ec it on at 186 k g/ t , het c o k e c on s mU Pt ion m ay be fo we sr ot 也e l ve l o f 3 0() k留t or 5 0 . K E Y W O R D S bl ast if jn l ac ;e c o k e ar t e ; 。 p t加i刁时ion