夏志坚1 ，瞿 涛1 ，吴洪义1 ，春铁军2
( 1. 宁波钢铁有限公司，浙江 宁波 315807;
2. 安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243032)
摘 要: 根据宁波钢铁公司原料及工艺参数，开发了网页版的铁矿评价及铁前一体化优化配矿模型，模型界面简洁、操作简单。铁矿评价包括铁矿粉性价比分析，块矿和球团矿性价比分析，烧结矿、块矿和球团矿性价比分析。铁前一体化优化配料模型兼具手动配矿和自动配矿两种模式，可以根据效益最大或成本最低为目标进行优化配矿。模型使用后，有效指导了宁钢铁矿粉的采购，同时一体化配料优化的铁水理论成本较现有人工方案低 2. 0 元/t. 铁以上，经济效益显著。
关键词: 铁矿评价; 一体化配矿; 模型; 应用
0 引言
铁矿石是钢铁生产最为重要的基础原料。进入新世纪以来，由于中国钢铁工业的快速发展，造成铁矿石严重短缺，从而引起铁矿石市场价格发生很大变化，从 2001 年的每吨 27. 11美元涨到 2021 年的每吨超过 170 美元，而质量又降低了很多［1 － 2］。2001 年前，铁矿石国际市场常见的 18 种铁矿粉，质量差的如澳大利亚的罗泊河矿，品位在 58% 左右，扣去烧损实际品位能达到 63. 7% ，Al2O3 含量不超过 2. 8% 左右; 目前铁矿石市场，有些含铁品位低的还不足 50% ，SiO2 含量高达 11% 以上，Al2O3 含量高达 6% 以上，价格高低不等差别特别大［3 － 4］。
目前，我国每年进口铁矿粉超过 10 亿 t，市场上铁矿粉种类超过 100 种，不同铁矿粉性能和价格参差不齐，如何科学地进行采购并合理搭配用于生产，实现最大经济效益和最低炼铁成本是全国钢铁企业急需解决的难题［5 － 6］。
张中中等［7］介绍了一种联动计算烧结、球 团、高炉的配矿模型，从整体布局的角度，寻求符合质量要求的铁水最低成本配矿方案，在工业应用案例中实现了迅速求解最优方案。笔者结合宁波钢铁铁前生产实际参数，通过模型能快速、定量、理性地对各种铁矿石做出综合评价，给出相关性价比排序，同时可以针对相关约束条件进行铁前一体化优化配矿，为降低炼铁成本，提高生产效率，加强原燃料管理提供技术支撑与依据。
1 性价比分析模型
铁矿粉评价采用模拟全流程冶炼来计算成本或效益高低来进行排序; 在选定任意一个铁矿粉作为基准后，根据效益一致计算出其它品种的铁矿石价格; 块矿、球团性价比分析按照模拟冶炼条件来进行排序，并计算出其它品种和选定基准品种之间的合理差价; 采用有效吨度价进行自产烧结矿和块矿、球团之间性价比排序。
1. 1 基础数据管理
在进行性价比分析之前，首先对模型所需要的性价比分析参数进行设置。设置主要包括公共参数和权重参数。
公共参数包括性价比分析用到的生石灰、白云石和硅石的主要化学成分，以及基准入炉品位; 包括基准产量、焦比、煤比、品位对焦比影响、品位对产量影响、烧结矿基准还原度、块矿和球团矿基准还原度等; 包括原料以及产品的价格等参数。初始设置基准煤比为 150 kg /t，基准焦比 350 kg /t，基准产量 12 000 t，基准入炉品位55%，品位对焦比影响为 1. 5%，品位对产量影3. 0%，设计铁回收率 99. 7%，炉渣脱硫率95%，基 准 铁 水 价 格 2 000 元/t，固 定 费 用2 000 000 元，炼钢轧钢成本 400 元/t，钢材市场售价 3 500 元/t。铁 水 Fe 含 量 94%，Si 含 量0. 5%。权重参数又分为铁矿粉权重参数和高炉炉料权重参数，其中铁矿粉权重参数包括 S、P、Mn、K、Na、Pb、Ti、Zn、FeO 和烧损的影响。
1. 2 铁矿粉性价比分析
铁矿粉性价比分析是模拟单种矿冶炼方法，在满足限制条件前提下，以效益最优或者炼铁成本最低为目标，批次进行优化配矿，按照效益最大或成本最低进行性价比排序。限制条件包括高炉渣镁铝比，炉渣碱度，烧结矿碱度等。
效益 = 产量 x ( 钢材市场售价 － 炼钢轧钢成本 － 炼铁成本) ; 其中，炼铁成本 = 铁矿成本 +烧结熔剂成本 + 烧结燃料成本 + 高炉燃料成本+ 高炉熔剂成本 + 有害元素成本 + 固定成本; 其中，有害元素成本根据参数设置里面每种有害元素权重乘以评价铁矿粉中对应含量进行求和。固定成本 = 固定费用/产量，见图 1。
在选定任意一个铁矿粉作为基准后，根据效益一致计算出其它被评价品种的铁矿粉的计算采购价格，实际采购价格与计算价格的价差以及与基准效益价差，见图 2。
1. 3 球团与块矿性价比分析
在自产烧结矿在 80% ～ 85% 范围内，分别将块矿和球团与自产烧结矿进行搭配，在满足一定限制条件前提下，限制条件包括镁铝比，炉渣碱度，炉渣 Al2O3 含量上限和铁水 P 含量等。以铁水效益最高或铁水成本最低为目标，分别批次优化每种被选块矿或烧结矿的配比，得到对应的铁水效益和成本，以及在此条件下冶炼的关键参数。
综合考虑了球团矿和块矿的化学成分及粒度组成，以及球团矿的抗压强度、还原度和还原膨胀，块矿的还原度和热爆指数等，对选定的块矿、球团之间进行性价比排序，并计算出其它品种和选定基准品种之间的合理差价。在选定任意一个块矿或者球团品种作为基准后， 根据效益一致计算出其它品种的块矿和球团矿的价格，见图 3。
1. 4 烧结矿、球团与块矿性价比分析
烧结矿、球团矿和块矿性价比分析按照吨度价性价比进行排序。吨度价 = 有效价格/有效铁品位; 其中，有效价格 = 采购成本 － 有害元素价值; 有害元素价值根据参数设置里面，有害元素权重乘以有害元素含量，累计求和。有效铁品位 = ( TFe － 0. 4xFeO) / ( 100 + 2xＲ4 ( SiO2 + Al2O3 ) － 2 ( ( CaO + MgO) ) ，四元碱度Ｒ4 取 1. 0。然后根据烧结矿、球团矿和块矿分别计算出来的吨度价进行性价比排序，见图 4。
2 铁前一体化配料模型设计与开发
为了使混匀矿配矿优化、烧结配矿优化和高炉配矿优化三个配矿模块进行联动，开发了铁前一体化优化配料模型，从铁矿粉到混匀矿，再到烧结配料和高炉配料，作为一个整体进行设计，计算和优化。一体化配矿优化模型同样设置了手动配矿和自动配矿两种模式。
2. 1 手动配矿
手动配矿同样是人工输入每种矿粉的配比、烧结原料配比和高炉炉料配比，进行计算。烧结矿吨度价 = 烧结矿成本/烧结矿铁品位; 其中，烧结矿成本 =配矿成本 +熔剂成本 +燃料成本 +固定成本; 炼铁成本 = 矿耗成本 + 燃料成本 + 固定成本;固定成本 =固定费用/产量，见图5。
根据入炉基准品位，基准产量，品位与产量的关系，可计算出对应产量; 根据基准焦比，品位与焦比的关系，可计算出对应的焦比; 煤比固定不变。由于铁水中 TFe 设定为 94%，可计算出矿比 =94 /高炉炉料 TFe。根据高炉炉料化学成分，焦炭和煤粉化学成分，可计算高炉冶炼 S、Pb、Zn、碱等负荷以及炉渣成分，进而得到炉渣镁铝比，碱度等结果。此外，根据对应的分配系数，可计算铁水 S 含量，P 含量。
2. 2 自动配矿
自动配矿是以炼铁成本最低或效益最大为目标，在满足烧结和高炉限制条件下，优化出混匀矿各铁矿粉配比、烧结熔剂配比、高炉炉料的配比等，进而计算出混匀矿成分、混合料成分、烧结矿成分、烧结矿成本、铁水成分、炉渣成分、碱负荷、关键参数等信息。
自动 配 矿 设 计 了 多 套 优 化 算 法，包 括interior － point 法和 SQP 法。数学模型包括以下三个方面。以铁水成本最低或者效益最大为目标函数。限制条件包括烧结限制条件和高炉限制条件。烧结限制条件主要包括烧结矿化学成分，例如 TFe、SiO2、CaO、MgO、Al2O3 等，以及烧结矿铝硅比、碱度、磁铁矿比例、褐铁矿比例等。上述限制条件设置上限和下限。高炉配料模型限制条件包括铁水 P 含量、Pb 负荷、Zn 负荷、碱负荷、炉渣碱度、炉渣镁铝比、入炉品位、炉渣 MgO 含量等，见图 6。
1) 决策变量: X = ( x1，x2，……，xi) T ，X ∈Ｒi
( 2) 目标函数: f( X) = minf( X)
( 3) 限制条件: gi ( X) ≤ 0 ( i = 1，2，……， m) 或 hi ( X) = 0 ( i = 1，2，……，p)
以炼铁成本最低为目标，在满足上述限制条件下，优化出混匀矿各个铁矿粉配比、烧结熔剂配比、高炉炉料的配比等，进而计算出混匀矿成分、混合料成分、烧结矿成分、烧结矿成本、铁水成分、炉渣成分、碱负荷、关键参数等信息。
根据高炉炉料化学成分，焦炭和煤粉化学成分，可计算高炉冶炼 S、Pb、Zn、碱等负荷。炉渣成分首先根据炉料比例，根据分配系数，设定铁水中 SiO2 含量，计算出炉渣中 SiO2、CaO、MgO、Al2O3 等的重量，得到渣量，进而计算炉渣各元素的比例，同时也得到炉渣镁铝比，碱度等结果。同样，根据对应的分配系数，可计算铁水 ［S］、［P］、［Mn］、［Ti］ 等成分，见图 7。
3 结语
1) 结合宁钢铁前原料条件和生产实际参数，开发了铁矿评价及铁前一体化优化配矿模 型，采用 Java 编程软件完成对网页版模型软件系统的界面设计和代码编写，操作环境整齐简洁，操作方便易懂。
2) 进行铁矿粉单品种采用模拟全流程冶炼来计算成本或效益高低来排序; 在选定任意一个矿粉作为基准后，根据效益一致计算出其它品种的铁矿石价格; 进行块矿、球团按照模拟冶炼条件来进行性价比排序，并计算出其它品种和选定基准品种之间的合理差价; 采用有效吨度价进行自产烧结矿和块矿、球团之间性价比排序。
3) 针对铁前一体化优化配矿模块开发了手动配矿和自动配矿两种模式，灵活满足配矿的需要。手动配矿为人工输入每种原料的比例，进行手动配矿，计算出相关结果。自动配矿为首先根据相关模型要求进行限制条件约束，包括计算结果的约束，以及原料配加比例的约束。然后以成本最低或者效益最高为优化目标，优化出最优的原料配比，在此配比条件下，计算出对应的结果。一体化配料模型，从铁矿粉到混匀矿，到烧结配料到高炉配料，作为一个整体进行设计，计算和优化。一体化配料优化模型的铁水理论成本较现有人工方案低 2. 0 元/t. 铁以上，经济效益显著。
参考文献:
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［5］ 戚义龙，余正伟，吴宏亮，等． 烧结铁矿粉高温特性研究及过程耦合配矿评价模型的应用 ［J］． 烧结球团，2021，46( 3) : 9 － 15．
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［7］ 张中中，甘牧原，吴丹伟，等． “烧结 － 球团 － 高炉”联动配矿模型设计 ［J］． 烧结球团，2021，46 ( 3) : 22 － 27．
转载自:冶金信息装备网