铁水预处理工艺的系统决策问题

D0I:10.13374/i.is8n1001-053x.1991.01.019 北京科技大学学报 第13卷第4(I)期 Vol,13No.4(I) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 铁水预处理工艺的系统决策问题 潘小伟·曲英·汪怡** 摘要：根据我国铁水顶处理的现状及发展趋势，论述了我国治金企业采用治金系统工艺 决策的必要性和现实性。在叙述治金系统优化方法的基础上，介绍了应用动态规划对“高炉 炼铁-侠水预处理-转炉炼钢”系统最佳生产流程的研究。 关键词：铁水预处理，铁水影硫，铁水脱硅，系统决策 On the System Decision for Hot Metal Pretreatment Operation Pan Xiaowei"Qu Ying·Wang Yi"· ABSTRACT:Why and how the operations of ferrous metallurgical system sho- uld be optimized were studied based on the analyses of the current situation and the tendency of hot metal pretreatment technology in China.The methods of system optimization were summarized and the application to "Blast Furnace- Hot Metal Pretreatment-Basic Oxygen Furnace system and4 Raw Materials- Blast Furnace-Hot Metal Pretreatment-Basic Oxygen Furnace"system optimized by means of dynamic programming were introduced. KEY WORDS:hot metal pretreatment,desulphurization,desiliconization, system decision 近些年来铁水预处理技术发展很快。我国铁矿资源成分复杂，共生矿较多，铁水中硅、 硫、磷等杂质普遍较高，有的还含有钒、铌、钨等贵重元素。为降低生产成本，回收利用宝 贵资源，提高钢的质量，铁水预处理技术发挥了良好的作用：1~8。国外近一二年的大量 研究表明，铁水硅、磷、硫含量以及预处理工艺的水平对钢铁厂总体效益影响较大4)。为 1990-11-11收藕 ·治金系(Department of Metallurgy) ··宝钢钢研所(Research Institute,Baoshan Iron and Steel Co.) 297

第 卷第 期 ，， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 一 ，。 铁水预处理工艺的系统决策问题 潘小伟 ’ 曲 英 ‘ 汪 恰 ” 摘 要 根据我国铁水预处理的 现状及发展趋势 ， 论述 了我国冶金企业 采用冶金系统工艺 决策的必 要性和 现实 性 。 在 叙述冶金系统优化方法的基础上 ， 介绍了应用动态规划对 “ 高炉 炼铁 一 铁水预处理 一 转炉炼钢 ” 系统最佳生产流程的研究 。 关健词 铁水预处 理 ， 铁水脱 硫 ， 铁水脱硅 ， 系统 决策 即 犷 夕 甲 夕 ‘二 ， 五 宜 扭 “ 一 “ 一 一 ， ， ， 近些年来 铁水预处理技 术发展 很快 。 我 国铁矿资源成分 复杂 ， 共生矿较多 ， 铁水 中硅 、 硫 、 磷等杂质普遍较高 ， 有的还含有钒 、 妮 、 钨等贵重元素 。 为降低生 产成本 ， 回收利 用宝 贵资源 ， 提高钢的质量 ， 铁水预处理技术发 挥了 良好的作用 〔 ‘ 一 ” ’ 。 国外近 一 二 年 的 大 量 研 究表明 ， 铁水硅 、 磷 、 硫含量以及预处理工艺的 水平对钢 铁厂 总体效益影响 较 大 弓 ’ 。 为 一 一 收稿 冶金 系 宝铜 钢研所 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．04．019

了科学地协调钢铁厂内各部门、各工序之间的合理配合和联系，有必要从系统的角度来研究 炼铁、铁水预处理、炼钢整个系统的合理的工艺流程，确保各工序的硅、磷、硫等含量的最 佳水平。本文将讨论铁水预处理最佳工艺流程的系统决策方法、相关技术及其应用。 1铁水预处理工艺系统决策方法 在各种条件的限制下，确定高炉炼铁-铁水预处理-转炉炼钢-钢水浇注等工序组成的治 金系统的最合理的生产流程，使该系统的效益最佳，这就是冶金系统工艺决策的内容。决策 方法目前主要有生产经验法和最优化法。生产经验法是指在过去生产实际的基础上，经过分 析、调整，选出效益最佳的工艺流程。该方法特点是简单、直观、易行。只要把过去的生产 数据加以整理、分析就可进行选择。但由于实际生产条件改变范围不会太大，可供选择的方 案少，获得的工艺流程难以是最佳流程，因而共效益也难以达到最佳。最优化法是借助于最 优化技术，对研究的系统进行系统寻优，择出在实际条件允许的情况下获得效益最大的工艺 流程。根据治金系统过程复杂、工序多、流程长的特点，可用动态规划、图论和网络技术对 系统进行最优化5？。目前，治金中与铁水预处理相关的系统工艺决策有：用动态规划对高 炉-脱硫-转炉系统最佳工艺的研究和用动态规划对高炉-铁水脱硅-转炉系统最佳工艺的研 究。 2动态规划简介 动态规划是研究多阶段系统决策的一种方法。它在时间过程中，依次分阶段地选择一些 决策来解决整个动态过程的最优化问题。治金过程中各单元工序之间虽然不直接随时间变 化，而只是空间位置上的变化，但可以把这种连续过程比拟为一随时间而变化的“动态过 程”。如，原料谁备、高炉炼铁、铁水预处理、炼钢、浇注、轧钢等一系列的工艺过程可以 看作一个动态过程。 寻求具有动态规划结构的系统最优决策问题，首先是确定目标函数U(S,X(S)),根 据动态规划基本方程式，求出最优目标函数值∫(S),然后再根据转换方程由向k回代求 出各阶段的决策，这就得到在实际条件允许的情况下效益最佳的工艺流程及相应的各种操作 规定。动态规划基本方程式为： f(S.)=optiU(S,xi(S.)+f+(X(S:))) (1) X4∈D,(S)k=n、n-1、…l 基本方程边界条件： f.+1(Sm+1)=0 (2) 转换方程式为： S.=t(S+1,X) (3) 式中S。一第k阶段状态变量； X4(S)一k阶段状态为S时的决策变量： 298

了科学地协调 钢铁厂 内各部 门 、 各工序 之 间的合理配 合和联系 ， 有必 要从系统的角度来研究 炼铁 、 铁水预处 理 、 炼钢整个系 统 的合理的工艺流程 ， 确保 各工序 的 硅 、 磷 、 硫等含量的最 佳水平 。 本文 将讨论铁水预处理最佳工艺流程的系统决策方法 、 相关技术及其应用 。 铁水预处理工艺系统决策方法 一 、 、 ‘ 今 一 几 一 ’ 、 一 ’ ， 宁 一 在各种条件的限制下 ， 确定高护炼铁 一 铁永预处理 一 转炉炼钢 一 钢水浇注等工序组成 的 冶 金系统的 最合理的生 产流程 ， 使该系统的效益 最佳 ， 这就是冶金系统工艺决策的 内容 。 决策 方 法 目前 主要有生 产经验法和最优化法 。 生 产经验法是指在过去生产实际的基础上 ， 经过分 析 、 调整 ， 选 出效益 最佳的工艺流 程 。 该方法特点是简单 、 直观 、 易行 。 只 要把过去 的生产 数据加以整理 、 分析就可进行选择 。 但 由于实际生产条件改变范围不会太大 ， 可供选择的方 案少 ， 获得的工艺流程难以是最佳流程 ， 因而 其效益也难以达到最佳 。 最优化法是借助 于最 优化技术 ， 对研究的系统进行系统寻 优 ， 择 出在实际条件允许的情况下获得效益 最大的工艺 流程 。 根据冶金 系统过程复杂 、 工序多 、 流程长的特点 ， 可用动态规划 、 图论和 网 络技术对 系 统进行最优化 〔 ” ’ 。 目前 ， 冶金 中与铁水预处 理相 关的 系统工艺决策有 用动态规划 对 高 炉 一 脱硫 一 转护系统最佳工艺的研 究和用动态规划对 高炉 一 铁水脱硅 一 转炉系统最佳 工 艺 的 研 究 。 动态规 划简介 动态规划是研究多阶段系统决策的 一种方法 。 它在时 间过程 中 ， 依次分阶段地选择一些 决策来解决整个 动态过程的最优化问题 。 冶金 过程 中各 单元工序之 间虽然 不直接 随 时 间 变 化 ， 而只是空间位置上 的变化 ， 但可以把这种连 续过程比 拟 为一随时间而变 化 的 “ 动 态 过 程” 。 如 ， 原料准备 、 高炉炼 铁 、 铁水预处理 、 炼钢 、 浇注 、 轧 钢等一系列的工艺过程可以 看作 一个动态过程 。 寻求具有动态规划结构的系统最优决策问题 ， 首先是确定 目 标 函 数 ， ， 根 据动 态 规划基本方程式 ， 求 出最优 目标函数值 ， 然后再根据转换方程 由 向 回 代求 出各阶段的决策 ， 这就得到在实际条件允许的情况下效益 录佳的工艺流程及相 应的各种操作 规定 。 动态规划 基本方程式 为 ‘ 。 二 ， 言 。 ，十 、 。 〔 ， 介 ” 、 一 、 一 基本方程边界条件 ， 、 。 转换方程式为 ， 、 ， ， ， 式 中 － 第 阶段状态变量， 。 ， － 阶段状态为 。 时的决策变量

D,(S,)一第k阶段的允许决策集合； 1。一第k阶段的转换方程，是某种函数关系，也是目标函数的限制条件； U:(S,X(S)一S.状态下采取X(S)决策所获得的目标函数值，可以是生产成 本、生产率、能耗等指标。 了高炉炼铁-铁水脱疏-转炉炼钢系统最佳工艺决策 系统结构如图1所示。该系统包括3个阶段。转炉炼钢、铁水脱硫、高炉炼铁分别为第 含铁原料 焦炭 石灰石—〉 热风— 高炉炼铁 今炉顶煤气 →炉 吹 铁水 失水脱硫 )炉 流 使 钢今 铁水 培剂一→ 氧气→ 转炉炼钢 炉 必 金 合格锅水 图1高炉-脱硫-转炉系统结构 Fig.1 The Structure of BF-desulphurization-BOF system 表1各阶段输入、输出变量及固定参数 Table 1 Input,output and fixed variables to the stages 阶 段 固定变量 输入变量 决策变量 输出变量 含铁原料、石灰量、成分 (A)焦炭陇量 (E)炉渣险度 (G)吨钢铁水 3 焦炭灰分的成分 (B)焦炭灰分 (F)风温 (H)铁水疏量 高炉炼铁 热风成分和湿度 (C)焦炭稳定性 (I)铁水硅量 炉炎常数 (D)焦炭量 (J)铁水温度 铁水由高炉运到转妒的温降 18个变量 (G) )不脱硫 (K)吨钢铁水 (H) 2)一次镁焦混冲 (L)铁水疏量 侠水脱硫 (I) 3)二次镁焦混冲 (M)铁水硅量 (J) 4-8)CaC2喷吹 (N)炼钢铁水温度 9-13)CaC2-KR法 14-18)Ca0喷吹 热损失 (K) 一组综合操作变量 1 炉子尺寸 (L) 转炉炼钢 废钢成分 (M) 其它 (N) 299

‘ ‘ －第 阶段的允许决 策集合 。 － 第 阶段的转换方程 ， 是 某种 函数关 系 ， 也是 目标函数 的限制条件 。 ‘ ， 、 。 ” － 。 状态下采取 ， 、 决策所获得的 目标 函数值 ， 可以是生 产戊 本 、 生产率 、 能耗等指标 。 高炉炼铁一 铁水脱硫一转炉炼钢系统最佳工艺决策 系统结构如图 所示 。 该系统包括 个 阶段 。 转炉炼 钢 、 铁水脱硫 、 高炉炼铁分别 为第 含 铁原 料 一 石灰石 一 一 热 风 一一 一 喷 吹 一一 一 焦炭 杏 、 …高护炼铁 今 铁水 “ － 杏 一一 炉 顶煤 气 一 一 炉 渣 钢 一 一 剂 一 气 一 一 金 一 一 铁水脱硫 、 炉 － 杏 铁水 杏 一 转，炼钢 、 炉 杏 合格钢水 座氧熔合 图 高护 一 脱硫 一 转护系统结构 一 一 一 表 各阶段输入 、 输 出变 及固 定参数 ， 固定变量 输入变量 决策变量 输出变量 含长原 料 、 石 灰量 、 成 分 焦 炭硫量 焦炭灰分的成分 焦炭灰分 热风成分和湿度 焦炭稳定 性 护 炭常数 焦炭量 炉 渣 硷度 风温 高炉炼铁 吨钢铁水 铁水硫量 铁水硅 量 铁水温度 铁水 由高护运 到 转炉的 温降 铁水脱硫 个变量 不脱 硫 一次镁 焦混冲 二次镁 焦 混冲 一 喷吹 一 一 法 一 喷吹 吨钢铁水 铁水硫 量 铁水硅 量 炼钢铁水 温度 一组 综合操作变量 产、， 、 产了‘ 、了、 碑尹、刀 转炉炼钢 热损失 炉子尺寸 废钢成分 其 它

1、2、3阶段。高炉取6个状态变量，其中4个输入变量，2个决策变量；脱硫过程有4个输入 变量，18个决策变量：转炉炼钢有4个输入变量，一个决策变量。各阶段的输入、输出变量 以及固定参数见表1。 在有含硫量为0.71%和0.90%2种焦炭可供选择的条件下，经系统模拟，优化决策认 为，购买含硫量为0.90%的焦炭，采用高炉炼铁-铁水喷吹CO脱硫-转炉炼钢流程最佳， 生产成本最低。其生产流程、工艺条件以及生产的策略成本见图2()。若工厂只能采用含硫 量为0,71%的焦炭炼铁，最佳生产流程为高炉炼铁-转炉炼钢，不需要采用预处理脱硫，成 本最低。其最佳生产流程、工艺条件以及生产策略成本见图3(8)。 硷度0.95 风温816℃ 喷欧Ca0,12kg/.侠 治炼工艺 焦炭 高炉 转炉→钢水 -0.90%S -铁水2570t/d 铁水2570t/d -7.45%灰分 〔S%)0.035 〔S%〕0.01 -稳定系数52 〔Si%]0.85 〔Si%]0.85 一焦比540 铁水温1471℃ 铁水温1332℃ 120.11元/t 1.60元/t 93.75元/t 系统策略成本215,46元/t•钢。 图2怡金系统最佳工艺（焦炭含孩0,90%） Fig.2 The optimum operations for metallurgical system(0.90%S in coke) 险度1.05 风温900℃ 不脱硫 冶炼工艺 焦炭 高 硫 转炉 →水 -0.71%S -铁水2564t/d 铁水2564t/d 一7.6%灰分 〔S%]0.02 〔S%)0.02 稳定系数52 〔Si%]0.85 〔Si%]0.85 一焦比557 铁水温1450℃ 一铁水温1395℃ 121.96元/ 0元/ 95,11元/t 系统策略成本217.07元/t…钢 图3治金系统最佳工艺（焦炭含疏0.71%） Fig.3 The optimum operations for metallurgical system (0.71%S in coke) 经过生产验证，采用最佳生产流程后，用高硫焦炭炼铁使每t钢的生产成本下降5.38元。 4 高炉炼铁-铁水脱硅一转炉炼钢系统最佳工艺决策？) 研究对象为“高炉炼铁-铁水脱硅-转炉炼钢”系统，月标函数U为生产成本，元/八， 300

、 、 阶段 。 高炉取 个状态变量 ， 其 中 个输人变量 ， 个决 策变量 脱硫过程有 个输人 变量 ， 个决策变 量 转炉炼钢有 个输人变量 ， 一个决策变 量 。 各 阶段的输入 、 输 出变量 以及 固定参数见 表 。 在有含硫量为 和 卯 种焦炭可供选择的 条件下 ， 经 系统模拟 ， 优化决 策 认 为 ， 购 买含硫量为 。 。 的焦炭 ， 采用高炉炼 铁一 铁水喷吹 脱硫一转炉炼 钢流程 最 佳 ， 生产成本最低 。 其生产流 程 、 工艺条件以及生产 的策略成本见 图 〔 ‘ ’ 。 若工厂 只 能采用含硫 量为。 的焦炭炼 铁 ， 最 佳生产流程 为高炉炼 铁 一转炉炼 钢 ， 不需要采用 预处 理 脱 硫 ， 成 本最低 。 其最佳生产流程 、 工艺条件以及生产策略 成本见 图 〔 “ ’ 。 硷度。 。 风温 ℃ 今 喷吹 ， · 铁 冶炼工艺 焦 炭 一 一区三 一 。 一 。 灰分 一稳定系 数 脱 硫 杏 亚… 一， 水 一焦比 一铁 水，“ 。 ‘ … 一 〔 〕 。 一 〔 〕 。 一铁水温 ℃ 丢 。 元 元 元 系统策 略成本 。 ‘ 元 钢 。 图 冶金系统 最佳工艺 焦 炭含 硫。 。 。 犷 。 硷度 。 风温 ℃ 杏 不 脱 硫 咨 冶炼 工艺 咨 焦炭蕊一 。 灰分 甲一 〔 〕 。 二栗毓一 萝石〕 。抨 一稳定系数 」一 〔 〕 。 一 〔 〕 一 焦 比 ’一铁水 温“ “ ’一铁 水 温 ’ “ … 备 告 杏 。 元 元 元 ‘ 钢 水 系统策略成 本 元 · 钢 图 冶金系统最佳 工艺 焦炭含硫。 了 经 过生产验证 ， 采 用 最佳生产流程后 ， 用 高硫焦炭炼 铁使每 钢的生 产 成本 下 降 元 。 高炉炼铁一 铁水脱硅一 转炉炼钢系统最佳工艺决策 ‘ ” 研究对象为 “ 高炉炼铁 一 铁水脱硅 一 转炉炼钢 ” 系 统 ， 目标 函数 为生产成 本 ， 元

阶段数为3。系统优化模型和各阶段的状态变量见图4和表2。经计算机系统仿真、寻优后 选择出最佳脱硅生产流程为：原料-高炉炼铁-铁水脱硅-转炉炼钢。其相应的工艺指标和各 阶段的生产策略成本见表2，总的生产策略成本为541,60元/t钢。在同样的原料、同样的钢 料要求等条件下，若不采用铁水预脱硅处理，直接进入转炉炼钢的生产，其策略成本为 583.26元/t·钢。其流程、工艺指标和阶段成本见表3。 系统优化控制模型（协调器） 个 阶段成本1 阶段成本2 阶段成本3 原料 才 个 合格钢水 高炉工艺模型 预处理工艺模型 转炉工艺模型 图4治金生产系统优化控制模型 Fig.4 Optimizing control model for the metallurgical production system 表2脱硅工艺系统各种输入和决策变量表 Table 2 Input and decision variables for the desiliconization process system 阶段号 固定变量 输人状态变量 决策变量 输出状态变量 金属配料的尺寸构成 (A) 球团矿比 (D)渣的险度 (G) 铁水硅 蛋盘/NTHM和组成 (B) 烧结比 (E)热风温度（℃） (H) (包括石灰石的) (C) 袖比 (F)焦比 () 大至 高的 焦炭灰分的组成 (J) 出铁槽温度 的内碳的稳定 热风组成和温度 2 从出铁槽到转炉的标 (G) (K) 不处理 (O) 脱硅后铁水硅 准温度降 (H) (江)出铁场脱硅法 (P) 铁水磷 炉外 ) (M) 鱼雷罐车脱硅法 铁水锰 顶脱硅 (J) (N)(L)+(M) 出铁温度 热损失 (0) 按钢种及出铜温度 (S)出钢温度 1 的子尺时 (P) (T)出钢碳量 LD转炉 废钢成分等 (Q) 决定的治炼工艺 (R) 表3 冶金生产系统最佳操作工艺参数 Table 3 The Optimum operiations for the metallurgical production system 铁水硅量 铁水温度 熙比 油比 燃料比 险度 风温 成本 阶段3，高炉 0.60% 1553.0℃ 434.1 d9.9 494.1 1.231200℃ 427.45(元/t) 脱硅量 脱硅剂单耗 脱硅时间铁水温降 脱硅后铁水温度 成本 阶段2，脱硅 0.40% 15kg/t 25min 126℃ 1427℃ 6.04(元/t) 氧单耗 锅水收得率 钢铁比 险度 钢水碳 出钢温度 成本 阶段1，转炉 40.5Nm3/t94.27% 0.92 2.26 0.56% 1605℃ 108.58(元/t) 301

阶段数 为 。 系统优化模型 和各阶段的状态变量见图 和 表 。 经计算机系统 仿 真 、 寻 优 后 选择 出最佳脱 硅生产流程 为 原料 一 高炉炼 铁一 铁水脱硅 一转护炼钢 。 其相应 的工艺指标 和 各 阶段 的生产策略 成本见 表 ， 总 的生产 策略 成本为 。 元 钢 。 在同样的原料 、 同样的钢 料要求等条件下 ， 若不采用 铁水 预脱硅处 理 ， 直 接进入转炉炼钢 的 生 产 ， 其 策 略 成 本 为 尧 元 · 钢 。 其流程 、 工艺指标和 阶段成本见表 。 系统优 化控制模型 协 调器 国 ‘碑哥 二， 高护工艺模 型 阶段 成本 个工 卜 合格 钢水 一 一今 预处 理 工 艺模型 图 冶金生 产 系统优 化控制模型 弓 表 脱 硅 工艺 系统各种输入和 决策变， 表 阶段号 固 定变量 输入 状态变量 决策 变量 输出状态变量 金属配 料 的尺寸构成 重量 和组成 包括石灰石 的 》 焦 炭灰分 的组 成 炉 内碳 的稳定 热风组 成 和温 度 球团矿比 〔 烧结 比 油比 渣 的硷度 热风温度 ℃ 焦 比 高 护 铁水硅 铁水 磷 铁水锰 出 铁槽 温 度 从 出铁槽 到 转护 的 标 准 温度降 护 外 预 脱硅 脱 硅后铁水硅 铁水磷 铁水 锰 出 铁温 度 转 炉 热损 失 炉 子尺寸 废钢 成分等 按铜种及 出钢温 度 决定 的 冶炼 工 艺 出 钢 温度 出钢碳 量 幻 表 冶 金 生产 系统最佳 操 作工艺 参数 阶段 ， 高 护 铁水硅量 。 铁水 温度 。 ℃ 焦 比 油 比 然料比 硷度 风温 成本 。 。 ℃ 。 元 脱 硅量 脱硅 时 间 铁 水 温 降 脱硅 后铁水温 度 成 本 阶段 ， 脱硅 。 脱硅 剂 单耗 ℃ ℃ 元 氧单耗 钢水 收得率 钢铁比 硷 度 钢水 碳 出钢温度 成 本 阶段 ， 转 炉 几 。 。 ℃ 元