高爐煉鐵中爐料結(jié)構(gòu)的智能優(yōu)化研究

王宏偉

（山鋼集團(tuán)萊蕪分公司煉鐵廠， 山東 濟(jì)南 271104）

目前，應(yīng)用高爐煉鐵工藝生產(chǎn)的生鐵產(chǎn)量在世界生鐵總產(chǎn)量當(dāng)中的占比在95%以上。近年來，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在追求經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也將關(guān)注焦點(diǎn)逐步向“節(jié)能減排、能源節(jié)約”方向轉(zhuǎn)移，在這一理念的促動(dòng)下，鋼鐵企業(yè)不斷對(duì)現(xiàn)有的爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，對(duì)系統(tǒng)性能不斷地進(jìn)行改進(jìn)，旨在獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。而在諸多優(yōu)化方案當(dāng)中，利用遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，其收效較為明顯。

1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建思路

在對(duì)爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員基于物料平衡原理，利用遺傳算法對(duì)最低的噸鐵成本進(jìn)行模擬，同時(shí)，將高爐煉鐵過程中的鐵水成分、爐渣成分、有害元素負(fù)荷等參數(shù)指標(biāo)作為約束條件來建立一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)。該優(yōu)化方法所使用的軟件平臺(tái)為MATLAB 軟件平臺(tái)，程序編制流程均在這一平臺(tái)完成，然后借助于遺傳算法設(shè)計(jì)出最具有經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化方案。

1.1 遺傳算法與懲罰函數(shù)相結(jié)合的思想

遺傳算法最初起源于計(jì)算機(jī)模擬研究，其算法的本質(zhì)特征類似于生物界中自然選擇與擇優(yōu)生存機(jī)制的隨機(jī)搜索算法。利用該算法來求解函數(shù)極小值問題時(shí)，可以用適應(yīng)度函數(shù)來替代目標(biāo)函數(shù)。比如目標(biāo)函數(shù)為f（X），約束條件為g（X）≤0，Rn為n 維空間，而對(duì)于n 維矢量X 都可利用X=X1X2…Xn的符號(hào)串來表示。因此，X 便可以看作由n 個(gè)遺傳基因Xi組成的染色體，而每一個(gè)Xi都屬于一個(gè)遺傳基因，而Xi的所有的可能取值稱為等位基因，等位基因最為直觀與簡(jiǎn)單的表達(dá)形式為0 和1，而與之相對(duì)應(yīng)的染色體則完全可以利用一個(gè)二進(jìn)制字符串來表示。這種算法最大的優(yōu)點(diǎn)在于求解領(lǐng)域廣、計(jì)算能力強(qiáng)、計(jì)算精度高，在應(yīng)用該算法時(shí)，設(shè)計(jì)人員能夠節(jié)省大量的計(jì)算與運(yùn)算時(shí)間。

首先，在編制執(zhí)行程序時(shí)，設(shè)計(jì)人員將遺傳算法與懲罰函數(shù)結(jié)合在一起，并利用分級(jí)懲罰函數(shù)法，對(duì)不同約束條件偏離程度與重要程度進(jìn)行不同懲罰，然后將這一種群予以分級(jí)和分類，進(jìn)而使一些優(yōu)秀的個(gè)體能夠有更多的機(jī)會(huì)來展現(xiàn)自己，這樣便可以尋找到一條快捷的解決問題的路徑。

當(dāng)確定這一設(shè)計(jì)思想后，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為噸鐵成本P，數(shù)學(xué)計(jì)算式為：

式中：Xi代表入爐第i 種原燃料配入量，Pi代表入爐第i 種原燃料價(jià)格，而決策變量則為各種入爐原燃料與其相應(yīng)的配加比例[1]。

1.2 約束條件

在對(duì)爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，涉及的約束條件包括鐵水成分要求、爐渣成分及堿度條件、入爐爐料比例限制等。其中，渣鐵當(dāng)中含有的元素主要有硫、磷、鈦、錳、鎳、鉻、銅、釩、砷、鈮，其分配比如表1 所示。

表1 高爐煉鐵生產(chǎn)中各元素的分配比 %

爐渣約束主要包括二元堿度約束、三元堿度約束、Al2O3約束與MgO 約束。而含鐵原料約束條件是：在高爐煉鐵過程中，一般情況下所使用含鐵原料中高堿度燒結(jié)礦的含量介于70%～80%之間，酸性球團(tuán)礦的含量介于10%～20%之間，塊礦的含量介于5%～10%之間。在這三種結(jié)構(gòu)主料的基礎(chǔ)上，也會(huì)在高爐內(nèi)添加一些廢鋼等含鐵輔料，不同的主料與輔料價(jià)格以及性能指標(biāo)，也會(huì)給添加比例造成直接影響。以球團(tuán)礦的比例約束為例：

式中：P1和Ph分別為含鐵原料中球團(tuán)礦的添加比例的最大值、最小值百分比；mp為球團(tuán)礦的添加量；M為原料總量。

除了上述約束條件外，燃料比也會(huì)對(duì)高爐煉鐵過程爐料結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生一定的影響。在煉鐵生產(chǎn)中，所需的燃料主要包括焦炭與煤粉，而影響這兩種燃料比例的因素主要與高爐生產(chǎn)狀況以及順行條件有關(guān)。而設(shè)計(jì)人員在對(duì)爐料結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，只需考慮正常生產(chǎn)條件下高爐燃料需求與配入比例。隨著高爐生產(chǎn)條件的變化，燃料比也會(huì)隨之變化。因此，在計(jì)算燃料比時(shí)，首先需要設(shè)定煤粉的噴吹量，然后再根據(jù)預(yù)算入爐品位來判斷所添加焦炭量的多少。與此同時(shí)，生產(chǎn)單位不同，焦比與煤比的計(jì)算方式也有所不同，在計(jì)算過程中，設(shè)計(jì)人員可以預(yù)先設(shè)定焦炭負(fù)荷（含鐵原料用量與焦炭用量之比）以及燃料負(fù)荷（含鐵原料用量與焦炭、煤粉用量之比），然后再利用總焦比的數(shù)學(xué)計(jì)算式反推出焦比與煤比。

總焦比計(jì)算式為：

式中：Mi為第i 種煤粉配入量，MB為高爐煤比設(shè)定值。

1.3 計(jì)算高爐配料

在計(jì)算高爐各原料的配加比例時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常將燃料的化學(xué)成分作為計(jì)算條件，當(dāng)準(zhǔn)確計(jì)算出燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦、焦炭、煤粉以及熔劑等原料與燃料的配比之后，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到生鐵量、爐渣量、燃料用量、鐵水以及爐渣成分等數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)人員最終能夠確定鐵水與爐渣的主要成分?jǐn)?shù)據(jù)，這就為爐料系統(tǒng)優(yōu)化提供了真實(shí)確鑿的數(shù)據(jù)支持。

2 爐料結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

優(yōu)化后的爐料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)界面包括高爐原料數(shù)據(jù)庫模塊、高爐爐料優(yōu)化模塊、高爐配料計(jì)算模塊、煉鐵過程優(yōu)化模塊這幾大模塊。設(shè)計(jì)人員可以直接點(diǎn)擊主界面任何一個(gè)功能模塊，此時(shí)顯示器的該模塊下方將出現(xiàn)下拉菜單，根據(jù)用戶需求，可以選擇相對(duì)應(yīng)的菜單內(nèi)容予以操作。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)模塊之間的合理調(diào)用。

基于遺傳算法的爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)的工作流程如下：系統(tǒng)的功能模塊包括高爐原料數(shù)據(jù)庫、高爐爐料優(yōu)化模塊、配料計(jì)算模塊、成本核算模塊，其中，配料計(jì)算模塊分解為優(yōu)化高爐配料計(jì)算與用戶高爐配料計(jì)算兩個(gè)子模塊，成本核算模塊則分解為優(yōu)化用戶成本核算與用戶成本核算兩個(gè)子模塊。近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在對(duì)高爐煉鐵過程爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的有效應(yīng)用，為高爐煉鐵過程形成的數(shù)據(jù)信息提供了海量的存儲(chǔ)空間，設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取與高爐原料相關(guān)的數(shù)據(jù)，這就為爐料結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了更加確鑿的參考數(shù)據(jù)[2]。

3 優(yōu)化后的爐料系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果

在對(duì)爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)人員主要采用了遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，并通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，其中，目標(biāo)函數(shù)為高爐鐵水的最低成本，而約束條件則包括鐵水化學(xué)成分、爐渣成分、有害元素負(fù)荷、原燃料加入量與加入比例，在這些約束條件下，計(jì)算出鐵水產(chǎn)量與質(zhì)量，進(jìn)而得到最為優(yōu)化的高爐配料方案。優(yōu)化后爐料系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)與原指標(biāo)相比，其目標(biāo)值均有所提升。比如噸鐵成本由原來的2 050.9 元降到2 031.5元，入爐品位（鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由原來的55.5%提升至56.0%。而經(jīng)過優(yōu)化后的爐料結(jié)構(gòu)出渣量減少了27 kg，這不僅節(jié)省了大量能源，而且也減少了對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的污染。

4 結(jié)語

節(jié)能減排與能源節(jié)約是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)始終遵循的經(jīng)營理念，基于這一理念，對(duì)爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能優(yōu)化，既能夠積極響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號(hào)召，同時(shí)也是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的一條有效路徑。因此，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)不斷對(duì)高爐煉鐵過程的爐料結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，在降低鐵水成本的同時(shí)，以期能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與生態(tài)效益。