基于生產(chǎn)的高純生鐵冶煉工藝數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用

周蘭霞，李福朋

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 寧河 301500）

數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在鋼鐵工業(yè)信息化中占有重要地位。目前，鋼鐵企業(yè)已逐漸將其應(yīng)用到生產(chǎn)及管理環(huán)節(jié)，對降本增效和高效管理起到了重要作用。與煉鋼生鐵相比，鑄造生鐵產(chǎn)量較小，因此對工藝穩(wěn)定性控制要求更高，但目前生產(chǎn)主要靠經(jīng)驗控制。隨著企業(yè)自動化程度不斷提高和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完善，已積累了大量的工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，迫切需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行管理及開發(fā)利用，為生產(chǎn)操作和工藝優(yōu)化提供積極支撐[1]。

1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與分析軟件功能設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)庫原始資源

鑄造生鐵生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程已積累了大量的原始數(shù)據(jù)，包括：①原料成分：

包括鐵礦石化學(xué)成分（原礦、燒結(jié)礦、球團礦）；熔劑組成及成分；燃料及還原劑（焦炭及噴吹煤粉）化學(xué)成分；②過程操作參數(shù)：配料比，焦比和噴煤比，料批，風(fēng)溫、風(fēng)量、風(fēng)壓及富氧比等；③冶煉產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)：包括鐵液成分、鐵液溫度及產(chǎn)量，爐渣成分，煤氣成分及產(chǎn)量等。將這些數(shù)據(jù)綜合，并與物料平衡和熱平衡結(jié)合，可以形成相對完整的工序數(shù)據(jù)鏈，提取有用信息，用于生產(chǎn)和工藝的分析。

1.2 數(shù)據(jù)庫功能模塊設(shè)計

從功能上，開發(fā)的軟件設(shè)置有系統(tǒng)維護模塊和工藝分析模塊。軟件數(shù)據(jù)庫由原輔材料成分、燃料成分、高爐操作參數(shù)、鐵液成分、爐渣成分等數(shù)據(jù)模塊構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)有數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、統(tǒng)計分析、回歸分析（可選擇的多目標線性及非線性回歸）、數(shù)據(jù)互算、優(yōu)化（以產(chǎn)品質(zhì)量和成本最低為目標的配料優(yōu)化和操作優(yōu)化）和主要技術(shù)經(jīng)濟指標計算等功能，其結(jié)構(gòu)如圖1。

1.3 數(shù)據(jù)庫功能開發(fā)

作者通過現(xiàn)場跟蹤調(diào)查和取樣分析，并結(jié)合鑄造公司煉鐵廠生產(chǎn)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，提取了大量高純生鐵冶煉過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建立了數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)庫的工藝分析軟件。數(shù)據(jù)分析軟件具有如下功能。

（1）數(shù)據(jù)匯總及查詢。建庫過程集成了各部門的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)高爐從加料到產(chǎn)品的周期，建立了原料、控制參數(shù)及產(chǎn)品的對應(yīng)關(guān)系?？梢宰鳛楦呒兩F冶煉過程數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)，便于煉鐵數(shù)據(jù)的搜集、調(diào)閱和管理，進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享；對已錄入的數(shù)據(jù)進行分類查詢，可以選擇不同日期段、班組、工藝環(huán)節(jié)和某一元素為基準[2,3]。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。可以根據(jù)具體要求，如時間段、班組等，進行原料、煉鐵過程操作參數(shù)、產(chǎn)物等的統(tǒng)計分析，得到各參數(shù)的分布規(guī)律和取值。根據(jù)統(tǒng)計分析的結(jié)果，輸出直觀的統(tǒng)計值分布圖。并可根據(jù)技術(shù)人員需求，選擇不同的目標函數(shù)和變量，進行線性或非線性多元回歸分析，得出回歸關(guān)系及相關(guān)性評價。

（3）工藝計算與分析。用戶只需根據(jù)實際情況輸入原料和工藝條件即可快速計算物料平衡，依此可以完成爐渣成分、性能等的互算及預(yù)測。

（4）配礦成本優(yōu)化計算。以入爐礦和燃料的總成本為目標函數(shù)，以所需鐵液成分和生產(chǎn)過程中各工藝參數(shù)條件下的各收得率、爐渣物化性能指標及高純生鐵成分要求等為約束條件，輸入實時原料價格和成分，得出配礦方案。

圖1 數(shù)據(jù)庫功能模塊結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用分析

2.1 統(tǒng)計分析

對原料條件、操作參數(shù)、鐵液成分及爐渣性能部分參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表1。根據(jù)表1（部分參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果），企業(yè)對燒結(jié)品位、焦比、爐渣堿度的控制水平高于控制指標，對燒結(jié)堿度、風(fēng)溫、富氧率、煤比的控制水平低于控制指標；波動性隨燒結(jié)品位、風(fēng)溫、爐渣堿度、焦比、煤比、富氧率逐漸增大。[P]含量較為穩(wěn)定，[S]含量波動較大。根據(jù)鑄造用高純生鐵標準（JB/T 11994—2014）要求，部分[S]超標，需要通過進一步優(yōu)化工藝進行控制；[P]含量在上限附近，需要從原料磷含量進行控制。[S]含量主要受原燃料硫的帶入量和爐渣的脫硫能力影響。在爐渣性能較為穩(wěn)定的情況下，原燃料硫的帶入量直接影響[S]含量。由表2（冶煉1 t鐵液由爐料帶入的硫量）可知，焦炭和煤粉中硫的帶入量占入爐硫總量的85%，是硫的主要來源。在統(tǒng)計分析結(jié)果中，焦比、煤比的波動均處于較高水平，直接影響[S]含量穩(wěn)定性。建議企業(yè)優(yōu)化并穩(wěn)定這幾個工藝參數(shù)及堿度，將[S]含量穩(wěn)定在合理范圍。關(guān)于[P]含量的控制，一般認為磷在高爐中無法脫除（或微量脫除），建議企業(yè)降低入爐料磷含量，減少焦炭、煤粉中磷的帶入量，可適當使用低P焦炭、煤粉，降低[P]含量。燒結(jié)堿度會影響燒結(jié)礦的強度，相關(guān)研究表明，燒結(jié)堿度1.9左右可獲得較好的技術(shù)指標。風(fēng)溫是調(diào)節(jié)爐況的重要手段，企業(yè)目前風(fēng)溫水平一般，如能進一步提高風(fēng)溫，可獲得較低的燃料比。富氧鼓風(fēng)與噴煤結(jié)合，可以降低焦比，改善煤氣質(zhì)量。企業(yè)目前的富氧比及噴煤量尚可，但穩(wěn)定性較差；建議企業(yè)適當提高燒結(jié)堿度、風(fēng)溫，加強對富氧率及噴煤穩(wěn)定性的控制，以穩(wěn)定鐵液硫含量等指標。

表1 部分參數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果

2.2 多元線性回歸分析

鐵液中各元素含量受冶煉過程中多因素的影響，包括原料和操作中的諸多參數(shù)。利用相關(guān)分析，研究各參數(shù)對鐵液元素含量變化的影響機制，通過多元線性回歸，以某一元素含量為因變量，以各參數(shù)為自變量，建立回歸關(guān)系式，預(yù)測冶煉終點鐵液中該元素的含量。鐵液硅、錳含量是高純生鐵的兩大控制指標，在原料條件中，受燒結(jié)堿度和原料中硅、錳帶入量的影響，在高爐冶煉過程中，硅、錳的還原又受爐溫、爐壓、鼓風(fēng)性能以及燃料用量的影響，具體細化到操作中主要為風(fēng)壓、風(fēng)溫、富氧率、頂壓、煤比、焦比等操作參數(shù)。因此，選取原料條件和操作參數(shù)的主影響因子對[Si]、[Mn]含量做相關(guān)分析及多元線性回歸，抽取現(xiàn)場200組生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行含量預(yù)測并與實際值對比。

結(jié)果表明，[Si]含量與堿度、風(fēng)溫、焦比呈正相關(guān)，與風(fēng)量、風(fēng)壓、頂壓、富氧率、煤比呈負相關(guān)，降低焦比，提高風(fēng)壓、富氧率對降低[Si]含量有顯著效果；[Mn]含量分析結(jié)果表明，[Mn]含量與原料MnO含量、堿度、風(fēng)溫、焦比、煤比呈正相關(guān)，與風(fēng)壓、富氧率呈負相關(guān)，降低原料MnO含量、提高風(fēng)壓、富氧率對降低[Mn]含量有顯著效果。可以看出，回歸預(yù)測值與實際值對應(yīng)關(guān)系良好，建立的基于原料、工藝過程控制參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量指標的對應(yīng)關(guān)系可信。[Si]含量預(yù)測誤差9.8%，[Mn]含量預(yù)測誤差6.1%，預(yù)計隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量的增加，預(yù)測精度尚可進一步提高。另外，高爐冶煉是一個復(fù)雜的工藝過程，各工藝參數(shù)的影響相互交錯，多元線性回歸無法將其內(nèi)部關(guān)系完整地反應(yīng)出來，還應(yīng)探索非線性回歸的可行性。

2.3 配礦成本優(yōu)化計算

高爐煉鐵原料成本主要由燒結(jié)礦、球團礦及熔劑成本構(gòu)成，燃料成本以焦炭和噴吹煤粉成本構(gòu)成。抽取企業(yè)燒結(jié)礦幾種常用的礦粉、熔劑和燃料以及球團礦的成分及價格，以冶煉C2級高純生鐵為例，利用配礦成本優(yōu)化計算功能，得出配礦結(jié)果如圖8。計算模型以優(yōu)化原燃料成本為目標，以原料條件要求、鐵液成分要求、爐渣性能及成分要求為約束條件，以現(xiàn)行高爐對各元素的控制水平為計算參數(shù)，輸入礦粉、熔劑、燃料的實時價格及成分，得出優(yōu)化成本的配礦方案，包括各種原燃料用量、燒結(jié)礦成分及堿度、鐵液成分、爐渣堿度和配礦總成本。

3 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用情況

研發(fā)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已在某企業(yè)應(yīng)用，經(jīng)使用后，規(guī)避了異常操作，提高了工作效率；為技術(shù)人員優(yōu)化工藝提供了理論依據(jù)；提高了高純生鐵命中率，噸鐵原料成本有所降低。利用數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計分析功能，找出異常數(shù)據(jù)來源，分析操作現(xiàn)狀；利用多元線性回歸分析原料條件和操作參數(shù)對產(chǎn)品性能及成分變化的影響機制，預(yù)測終點元素含量；利用工藝分析完成對爐渣成分和性能的預(yù)測及互算，收入項和支出項的對比。利用配礦成本優(yōu)化功能，在保證產(chǎn)品成分及性能的前提下，得出配料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化配礦成本。目前該數(shù)據(jù)庫軟件仍存在以下不足：數(shù)據(jù)錄入需人工手動輸入，未能實現(xiàn)自動采集；回歸分析模型不能完美契合，預(yù)測結(jié)果存在偏差。為提高數(shù)據(jù)庫適用性，下一步將開展如下工作：與企業(yè)計量控制系統(tǒng)連接，自動讀取錄入實時數(shù)據(jù)；增加數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量并完善各個工藝環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，完善高爐煉鐵工序數(shù)據(jù)鏈；建立動態(tài)預(yù)測模型。本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)同樣適用于其他高爐煉鐵車間，并且隨著數(shù)據(jù)的完善，分析結(jié)果更具參考價值，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

（1）鑄造生鐵產(chǎn)量小，工藝穩(wěn)定性要求高，企業(yè)在生產(chǎn)中已積累了大量的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫的開發(fā)及利用，可為操作和工藝優(yōu)化提供支撐。

（2）基于企業(yè)生產(chǎn)，建立了高純生鐵冶煉工藝數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)了工藝分析及成本優(yōu)化功能模塊。

（3）利用該軟件，分析了企業(yè)高爐運行現(xiàn)狀，研究了工藝參數(shù)對鐵液硅、錳含量的影響機制，并建立含量預(yù)測模型，優(yōu)化了高純生鐵配料成本。

（4）該軟件可作為生產(chǎn)管理及技術(shù)人員用分析工具，對優(yōu)化工藝操作及管理提供支撐。