鐵前全成本優(yōu)化模型設(shè)計與應(yīng)用

尹業(yè)華,陳甫剛,李云財

(云南昆鋼電子信息科技有限公司，云南 昆明 650300)

0 引 言

隨著鋼鐵行業(yè)經(jīng)營形勢的逐步惡化、礦石成本的增加，鐵前降成本成為鋼鐵企業(yè)解圍脫困的首要選擇，而原料降成本是眾多降本措施中最為重要的環(huán)節(jié)。我國鐵礦石進口量持續(xù)增長，供應(yīng)量的不足導(dǎo)致進口鐵礦石價格超常增長。高爐煉鐵對鐵礦石的要求極為苛刻,某些品位高的天然粉礦因而不能直接入爐冶煉。外購天然礦石雖然品位高,但其成分存在差異,需要經(jīng)過燒結(jié)和球團工藝的加工,達到符合化學(xué)成分含量標準后才能進入高爐冶煉。鐵前成本占整個鋼鐵生產(chǎn)成本的80%以上，降低鐵前成本將有利于降低整個鋼鐵生產(chǎn)成本。鐵前降成本的主要抓手在于合理配礦及用料，為了追求設(shè)備的最佳產(chǎn)能,創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益,鋼鐵企業(yè)往往以人工礦石輔以一定量的天然礦石來制定合理的配礦配比計劃。配料降成本不能單獨考慮燒結(jié)、球團等中間過程，還要統(tǒng)籌考慮從原料采購到高爐生產(chǎn)的整個過程，只有將各種原料成分、性能、價格等因素與燒結(jié)、球團煉鐵生產(chǎn)穩(wěn)定結(jié)合在一起，進行全工序配料，將鐵前降成本作為最終目標，才能真正起到降本增效的作用。

1 鐵前配料模型的特征

1.1 煉鐵廠多種礦石原料及眾多工藝限制的特殊性

當(dāng)前很多煉鐵廠的用礦結(jié)構(gòu)和品種均復(fù)雜多樣，從燒結(jié)原料、球團原料、外購球團、塊礦到高爐燃料，近百種礦石和燃輔料中，同種礦石原料在不同時間地域時的價格和成分都會有區(qū)別；各種礦石的冶金性能、礦石中的有害物質(zhì)影響及燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量都會對高爐順行狀況和生鐵成本產(chǎn)生影響；某種礦石的價格或成分的改變都會引起整個用礦結(jié)構(gòu)的變化。

1.2 配料模型是理論上的配礦

由于配礦模型的優(yōu)化配礦結(jié)果是建立在理論配礦的基礎(chǔ)上，依據(jù)物料守恒結(jié)合不同尤其是針對一些新引入的礦種，在實際生產(chǎn)中，還需要依靠燒結(jié)杯實驗結(jié)果來進行修正。只有配礦模型優(yōu)化結(jié)果與燒結(jié)杯實驗的有機結(jié)合，才能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的用礦成本最優(yōu)，到控制煉鐵成本最低的生產(chǎn)經(jīng)營目標。一些生產(chǎn)企業(yè)只是取現(xiàn)有的燒結(jié)礦和球團礦成分與價格代入到高爐配料程序中進行計算，有的甚至沒有成本計算；而燒結(jié)配料一般只是各種礦石成分的疊加。燒結(jié)配料過程一般是先計算、再實驗，實驗確認后才能投入生產(chǎn)，往往費時費力，難以適應(yīng)當(dāng)前原料條件的快速變化。并且，無論燒結(jié)配料、球團配料還是高爐配料，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是從各自的自身利益出發(fā)，對于礦石品位、性能、有害雜質(zhì)等因素與成本的關(guān)系不能做到通盤考慮，難以實現(xiàn)煉鐵效益最大化。

2 配料模型存在的問題

2.1 目前配礦多以手工計算為主

目前大多數(shù)煉鐵工藝專家擬訂礦配方時，都是依靠以往經(jīng)驗，使用近期的礦石市場數(shù)據(jù)通過計算器在紙上或通過EXCEL在電腦上計算，數(shù)據(jù)微小的變動需要花費很多時間來演算和驗證，手工計算需要一點點微量改變來接近約束，每一次計算都很費時費力，而且每次計算的數(shù)據(jù)都需要多次驗證，如果不滿足工藝約束限制則需要重新計算。

2.2 各部門不能及時準確地落實配礦用料結(jié)構(gòu)

配料模型得出的用礦結(jié)構(gòu)需要與生產(chǎn)管理部、經(jīng)營策劃、貿(mào)易和采購等部門的溝通協(xié)調(diào)，并對優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)一確認可行性，對提出的新限制條件研判合理性后才能落實使用。但現(xiàn)實常常是各單位部門較分散，管理工作責(zé)任主體不明確，沒有建立一個分工明確、權(quán)責(zé)明晰的用礦配方落地系統(tǒng)，導(dǎo)致用礦結(jié)構(gòu)落實不到位。

2.3 缺少專業(yè)的配礦優(yōu)化管理人員

配礦優(yōu)化管理工作需要專業(yè)的煉鐵工藝專家負責(zé)，對礦石市場行情數(shù)據(jù)的收集、整理，對新的用礦結(jié)構(gòu)進行理論數(shù)據(jù)計算。但目前很多公司都沒有成立專門的部門、配備專業(yè)的技術(shù)人員，更沒有組成集中統(tǒng)一的協(xié)同工作體系，不能及時掌握礦石市場信息，使配礦優(yōu)化發(fā)揮作用。

2.4 公司對配礦優(yōu)化模型重視度不夠

配礦優(yōu)化模型是根據(jù)當(dāng)前的物料數(shù)據(jù)優(yōu)化出當(dāng)前情況下最好的用礦結(jié)構(gòu)，但很多生產(chǎn)企業(yè)對該用礦結(jié)構(gòu)的認同度不高，只把其當(dāng)作一個參考，并且會人為手動調(diào)整優(yōu)化配方結(jié)構(gòu)，沒有將完整的用礦結(jié)構(gòu)落到實處。

3 利用優(yōu)化器對配料用礦模型進行優(yōu)化

3.1 優(yōu)化器以鐵水利潤最大為目標函數(shù)

配料是一項系統(tǒng)工程，既要考慮各種含鐵原料的庫存條件，又要考慮燒結(jié)礦的化學(xué)成分、冶金性能，以及各種含鐵原料對燒結(jié)過程參數(shù)、燒結(jié)礦質(zhì)量及燒結(jié)利用系數(shù)的影響；在當(dāng)前降本壓力巨大的形勢下，更要考慮整個高爐爐料結(jié)構(gòu)的合理搭配，既要滿足高爐生產(chǎn)順行的需要，又要達到生鐵利潤最大的目標。式(1)模型的輸入數(shù)據(jù)包括鐵礦石的價格、成分、可用量等信息，模型輸出有3類信息：1)求解決策變量值，即鐵礦石、燃料、輔料用量及配比；2)每天的成本、利潤明細；3)鐵水、爐渣質(zhì)量和成分信息。

f(x)max=C×Fe計-f燒(x)+f球(x)-f高(x)

(1)

式(1)中,C是鐵水設(shè)定售價，由財務(wù)部門給出具體值；Fe計是鐵水計算產(chǎn)量；f燒(x)是燒結(jié)成本計算表達式；f球(x)是球團成本計算表達式；f高(x)是高爐成本計算表達式。

3.2 優(yōu)化器為配料用礦模型設(shè)置了約束邊界

優(yōu)化用礦結(jié)構(gòu)不是沒有界限的優(yōu)化，而是根據(jù)實際生產(chǎn)工藝設(shè)置了約束，在約束的上下限范圍內(nèi)找到最優(yōu)的決策變量(各礦石用量)和最優(yōu)解(利潤最大)。設(shè)置約束條件主要包括各礦石用量配比約束、工藝指標約束、礦石庫存與產(chǎn)量約束。礦石的決策變配比下限表達式為

(2)

ti下是根據(jù)料場庫存設(shè)定的閾值，上限表達式為

(3)

ti上是根據(jù)料場庫存設(shè)定的閾值。

3.3 結(jié)合生產(chǎn)實際調(diào)整參數(shù)和比例系數(shù)對配料用礦結(jié)構(gòu)進行調(diào)整

在模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，需要結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對近期大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)，計算出燒結(jié)內(nèi)外返比率、高爐燃料焦比和煤比、鐵元素收得率、鐵水中鐵元素占比；結(jié)合生產(chǎn)實際，調(diào)整系數(shù)中的燒結(jié)、球團、高爐工序中的各成分質(zhì)量保留率和調(diào)整系數(shù)，通過大量的數(shù)據(jù)計算總結(jié)并且進行驗證；進鐵、渣、灰的各元素成分的比率需在煉鐵工藝理論指導(dǎo)下得出。

3.4 配料用礦模型為各用戶配置不同的權(quán)限職責(zé)

配料用礦優(yōu)化模型應(yīng)結(jié)合公司管理制度體系，建立數(shù)據(jù)錄入、模型優(yōu)化調(diào)整、查看分析等權(quán)責(zé)分明的用戶管理體系，不同的用戶有相應(yīng)權(quán)限。

4 配料用礦優(yōu)化模型在公司的成效

4.1 配料用礦優(yōu)化模型運行機制的建立

4.1.1 配料用礦優(yōu)化模型數(shù)據(jù)及時準確

1)進口粉礦、外購精粉統(tǒng)一提供可比時間段內(nèi)的到廠價對比，將各種含鐵原料、燃料及熔劑的典型成分、粒度組成、定價模式或購買價格等匯總到同一界面，使用時可以在任何一個高爐、燒結(jié)配料系統(tǒng)隨意調(diào)取。2)由于所用礦石種類繁多，既有長協(xié)礦又有貿(mào)易礦，還有公司內(nèi)部的回收料，各種礦價格也不相同(一般隨鐵礦石指數(shù)相應(yīng)變動)，但無論現(xiàn)貨礦石還是長協(xié)礦，其時點價格都可以通過當(dāng)期買點價格或定價模式做到與同期指數(shù)同步對應(yīng)。對于每次的配料計算或價效評定，只需輸入當(dāng)期幾個指數(shù)，即可計算出當(dāng)期所有含鐵原料的時點價格。

4.1.2 利用優(yōu)化器構(gòu)建配料用礦結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)機制

公司應(yīng)基于配料用礦模型優(yōu)化平臺進行礦石市場信息的收集和分析，將性價比排行較低且影響鐵水質(zhì)量或產(chǎn)生有害元素的礦石排除，避免影響鐵水質(zhì)量與品質(zhì)。在礦石市場信息等平臺及時獲取正確信息，利用權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的實時市場信息，掌握正確的市場導(dǎo)向；對實際生產(chǎn)使用頻率較高且成分穩(wěn)定的礦石建立礦石數(shù)據(jù)庫。由于配礦模型的優(yōu)化配礦結(jié)果是建立在理論配礦的基礎(chǔ)上，尤其是針對一些新引入的礦種，實際生產(chǎn)還必須依靠燒結(jié)杯實驗的結(jié)果來進行修正。只有配礦模型優(yōu)化結(jié)果與燒結(jié)杯實驗有機結(jié)合，才能實現(xiàn)從生產(chǎn)過程的用礦成本最優(yōu)，到控制煉鐵成本最低的生產(chǎn)經(jīng)營目標。

4.1.2 利用配料用礦優(yōu)化模型構(gòu)建月度用礦結(jié)構(gòu)協(xié)同聯(lián)動機制

價值效益全面落地依賴于配料計劃與實施方案的準確性，通過緊密銜接的配礦決策與跟蹤看板，有效把控時點與執(zhí)行效率，降低落地漏損；建立月度用礦結(jié)構(gòu)聯(lián)動機制：“配方按照模型選、采購訂單按照配方下、貨物按照訂單到、原料按照計劃燒”。為實現(xiàn)優(yōu)化后配方的收益落地，需要在礦粉詢價、入料管理、質(zhì)量跟蹤、績效考核等方面落實配套舉措。

4.2 完善配料用礦優(yōu)化模型管理的對策

4.2.1 確認配料用礦優(yōu)化模型工作部門的權(quán)責(zé)

合理界定配料用礦優(yōu)化模型工作部門的責(zé)任，制作管理責(zé)任規(guī)范和責(zé)任清單，從分管領(lǐng)導(dǎo)到部門負責(zé)人到具體的模型使用人員，人人都要明確界定工作的責(zé)任和范圍，權(quán)責(zé)清晰，主體明確，做好配料用礦優(yōu)化模型管理工作。

4.2.2 樹立正確使用配料用礦優(yōu)化模型的觀念

目前生產(chǎn)企業(yè)多以人工手動計算月度用礦結(jié)構(gòu)，許多工藝技術(shù)專家總以自己技術(shù)經(jīng)驗為準，不認可利用計算機優(yōu)化器得出的用礦結(jié)構(gòu)。人工出用礦結(jié)構(gòu)工作時間長、復(fù)雜而且繁瑣，人為誤差多，而配料用礦優(yōu)化模型以上百種礦石原料輸入數(shù)據(jù)結(jié)合幾百個限制約束，能在幾秒內(nèi)得出滿足約束和目標的用礦結(jié)構(gòu)，誤差較小。

4.3 配料一體化模型在公司的應(yīng)用

4.3.1 建立從詢價、全價值配料模型比價、鎖價執(zhí)行的完善流程

該模型自2019年12月中旬上線使用至今，對礦粉市場信息掌握準確、及時，并完成期、現(xiàn)貨成本信息轉(zhuǎn)換，運輸成本與交期信息準確，庫存信息準確及時。但仍需做到入廠檢測信息準確、及時，廠內(nèi)物料檢測準確、及時，完善稱量系統(tǒng)信息準確和高爐操作參數(shù)信息監(jiān)控等手段，才能確保生產(chǎn)穩(wěn)定前提下逐步實現(xiàn)降本；還應(yīng)對燒結(jié)礦、球團等關(guān)鍵中間產(chǎn)品的質(zhì)量作持續(xù)跟蹤，并建立反饋調(diào)整入料、后續(xù)高爐入料優(yōu)化等機制。在配料過程中，鑒于鐵礦石市場變化快的特點，當(dāng)前的采購行為大部分是控制低庫存，采取小批量、多批次進行采購，燒結(jié)及高爐用料也隨之頻繁變化。有害雜質(zhì)含量高的礦石都有不同程度的折扣，但各種礦石所含有害雜質(zhì)成分各不相同，應(yīng)根據(jù)自己的資源情況，結(jié)合現(xiàn)有市場資源，統(tǒng)籌考慮各種礦物的配合效益，即最終的生鐵成本。例如在配料過程中用高硅低鋁礦搭配高鋁低硅礦、用高硫低磷礦搭配高磷低硫礦等。在結(jié)合自有資源及可購買資源情況時，同時使用多種折扣較大的經(jīng)濟礦，既能有效控制生鐵有害元素負荷的上限，又能充分利用各種經(jīng)濟礦的價效優(yōu)勢及有害元素的上限空間，最大限度地提高生鐵利潤。

4.3.2 綜合考慮各種爐料的冶金性能及價效

配料一體化模型能夠綜合考慮各種爐料性能、價效、庫存等多方面的因素。例如通過價效計算比較，得到當(dāng)期塊礦價效最好，燒結(jié)礦特別是燒結(jié)礦價效較差，而球團礦價效最差；并且由于兩船塊礦到港間歇太近而造成塊礦庫存嚴重偏高，為了提高生鐵利潤，采取控制球團比例上限，提高塊礦配比的方式。而現(xiàn)實是由于燒結(jié)礦熔滴溫度過高，球團礦熔滴溫度太低，高爐熔滴區(qū)間寬，造成高爐壓差持續(xù)偏高；因此在配料過程中提出了降低燒結(jié)礦堿度及MgO含量來降低燒結(jié)礦熔滴溫度，并調(diào)配公司庫存較高的高鎂精礦用于球團生產(chǎn)，提高球團礦中MgO含量，使球團礦熔滴溫度得以提高，從而改善了高爐爐料結(jié)構(gòu)的冶金性能。燒結(jié)堿度的降低，反而不易提高價效最好的塊礦比例成本，因此綜合考慮各種爐料的冶金性能及價效情況，筆者采取了在高爐中配加少量白云石塊的措施，在降低燒結(jié)堿度、改善冶金性能前提下增加塊礦使用量，同時保證高爐渣中適宜的MgO/ Al2O3，確保高爐渣具有良好的流動性及脫硫能力。

通過這些措施，既能提高生鐵利潤，改善爐料結(jié)構(gòu)冶金性能及爐渣性能，促進高爐爐況順行的作用，同時又可降低當(dāng)期高鎂精礦與塊礦庫存過高帶來的市場風(fēng)險。

4.4 模型效果

利用廠區(qū)提供的配料原始數(shù)據(jù)，優(yōu)化求解前后數(shù)據(jù)對比如表1所示。

如圖1所示，在使用模型優(yōu)化后，單噸鐵水成本有明顯下降；其中礦石成本降低65元，焦炭與噴吹煤成本降低5元。

如圖2所示，單噸鐵水成本中的礦石成本詳細數(shù)據(jù)表明：礦石成本降低65元，塊礦的貢獻最大為77元，燒結(jié)礦降低4元，自產(chǎn)球團降低8元。

如圖3所示，模型優(yōu)化燒結(jié)用礦結(jié)構(gòu)，主要是減少外購礦石的使用量，噸燒結(jié)礦成本降低49元。

表1 配料模型優(yōu)化前后對比Tab.1 Comparison of batching models before and after optimization

圖1 鐵水成本組成Fig.1 Cost composition of hot metal

圖2 礦石成本組成Fig.2 Composition of ore cost

圖3 燒結(jié)礦成本組成Fig.3 Cost composition of sinter

如圖4所示，優(yōu)化模型的燒結(jié)礦品位數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)中的測量數(shù)據(jù)對比，誤差較小，且模型優(yōu)化的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。

如圖5所示，優(yōu)化模型的燒結(jié)礦二元堿度數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)中的測量數(shù)據(jù)對比，誤差較小，且模型優(yōu)化的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，更有有助于工藝人員控制高爐環(huán)節(jié)爐渣二元堿度。

如圖6所示，優(yōu)化模型的燒結(jié)礦有害元素As含量與實際生產(chǎn)中的測量數(shù)據(jù)對比，誤差較小，且模型優(yōu)化的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，更有助于工藝人員控制燒結(jié)礦有害元素含量。

圖4 實際燒結(jié)礦品位(虛線)與模型計算燒結(jié)礦品位(實線)對比Fig.4 Comparison of actual sinter grade and model calculation (solid line) sinter grade

圖6 實際燒結(jié)礦As含量(虛線)與模型計算燒結(jié)礦As含量(實線)對比Fig.6 Comparison of actual sinter As content and model calculation (solid line) sinter As content

5 結(jié) 語

1)配料一體化模型將燒結(jié)配料、球團配料與高爐爐料結(jié)構(gòu)等融合在一起，綜合考慮各方面因素，以生鐵利潤最大為最終目標，能夠最大程度提高生鐵利潤。

2)運用冶金性能數(shù)據(jù)庫可以較好地預(yù)測配料對燒結(jié)礦冶金性能，指導(dǎo)燒結(jié)工藝過程參數(shù)優(yōu)化，確保高爐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使配料更加高效快捷，但目前還難以滿足用礦種類的頻繁變化，需要不斷地積累完善。