成果介紹:鋼鐵制造資源優(yōu)化配置研究
作者：田英
進入21世紀以來，以中國為代表的發(fā)展中國家出于推動工業(yè)化進程的目的而加快鋼鐵產能擴張，世界鋼鐵工業(yè)規(guī)模持續(xù)上升。但隨之而來的是優(yōu)質鐵礦資源日益減少、化石能源枯竭、有機物污染等環(huán)境問題，“兩高一資”（高消耗、高排放、資源依賴型）問題非常嚴重。毫無疑問，鋼鐵制造系統(tǒng)對資源需求過大的問題將會是中國鋼鐵工業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展過程中不容回避的、必須盡早破解的戰(zhàn)略難題。世界經濟的高速發(fā)展使得人們對于居住環(huán)境的要求越來越高，資源浪費和環(huán)境污染就成了人們日益關注的焦點，全世界各國學者早就對鋼鐵制造系統(tǒng)的生產流程進行了廣泛研究。1997年荷蘭學者Paul Konijn等‘51就嘗試建立了一套用于描述鋼鐵制造系統(tǒng)物質能量流的完整、詳細的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其輸入輸出表可以清晰地描述鋼鐵工業(yè)整個物理單元的生產工藝過程；美國工程院院士Floudas等‘6 3利用混合整型線性規(guī)劃方法，對涉及可用時間和物料資源分配的工藝調度問 題進行研究。在國外研究成果的基礎上，中國學者也對鋼鐵制造系統(tǒng)進行了較深層次的分析，2002年蔡九菊等"1針對鋼鐵生產過程中的環(huán)境問題，建立了關于鋼鐵生產流程環(huán)境負荷的基本概念、評價指標和指標體系，引入生命周期評價( LCA)方法和產品周期的概念，并應用于中國鋼鐵生產典型流程的環(huán)境負荷問題的分析中；蔡九菊等‘8 3通過研究鋼鐵企業(yè)物質流與能量流及其相互關系，建立了含鐵物料流動過程的鐵流模型；殷瑞鈺‘9 3闡述了鋼鐵制造流程中鐵素物質流和碳素能量流的行為規(guī)律，提出了應注重與鐵素物質流相關的碳素能量流的輸入和輸出特點、能量流網絡構建以及相應的信息化集成調控的觀點。
上述研究大多集中在抽象的理論探討方面，并沒有對鋼鐵制造過程中主要資源輸入和產品輸出進行深入的量化分析，對鋼鐵制造系統(tǒng)的物質能量代謝行為進行系統(tǒng)建模和數(shù)學建模的研究也較少。鋼鐵生產過程中，合理的資源配置是提高資源利用率、減少廢物排放的根本前提，對鋼鐵冶煉過程生產所需攝取的主要資源進行分析并對其配置進行優(yōu)化，符合當前生態(tài)鋼鐵工業(yè)發(fā)展主題。基于鋼鐵制造系統(tǒng)自身的物質能量代謝行為建立鋼鐵制造系統(tǒng)數(shù)學模型，并運用遺傳算法對鋼鐵制造流程中所需要的主要資源配置以及所生產出的產品輸出量進行分析優(yōu)化，有利于在減少資源消耗的前提下獲得最大的產品輸出，這對整個鋼鐵制造系統(tǒng)的節(jié)能減排具有重要意義。
1 鋼鐵制造系統(tǒng)的物質能量代謝行為
鋼鐵生產過程即是鋼鐵制造系統(tǒng)與外界環(huán) 境之間進行頻繁的物質、能量、信息的交換和轉化過程。鋼鐵制造系統(tǒng)作為一個完整的工業(yè)制造系統(tǒng)，是對以從事黑色金屬礦物采選和黑色金屬冶煉加工等工業(yè)生產活動為主的工業(yè)制造系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括生產制造系統(tǒng)和輔助制造系統(tǒng)。鋼鐵生產的流程大致分為：選礦、燒結、煉焦、煉鐵（高爐）、煉鋼（電爐或轉爐）、連鑄、軋制等過程，其中，高爐煉鐵系統(tǒng)和轉爐煉鋼系統(tǒng)是主要的鋼鐵制造系統(tǒng)，高爐煉鐵系統(tǒng)使用焦炭、預還原球團、燒結礦作為燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料中的鐵元素從氧化物或礦物狀態(tài)還原成含有碳、硅、錳、硫、磷等雜質的液態(tài)生鐵；轉爐煉鋼系統(tǒng)將熔融生鐵和廢鋼以及少量預還原球團作為原料倒入電爐或轉爐，以純氧作為氧化劑，依靠爐內氧化反應放熱來提高熔池溫度并脫碳，從而得到溫度及成分均合格的鋼水。
由此可以看出，鋼鐵制造系統(tǒng)是與鋼鐵制造過程緊密相關的物質、能量和信息，在人的控制下形成的具有高度復雜性的有機組織，鋼鐵制造系統(tǒng)的復雜性主要表現(xiàn)在其與自然環(huán)境之間物質、能量、信息的復雜交互關系上。因此鋼鐵制造系統(tǒng)物質能量代謝行為的實質就是鋼鐵制造系統(tǒng)與外界系統(tǒng)之間交換聯(lián)系的過程，也是一個產品的輸入與輸出過程。鋼鐵制造系統(tǒng)在人的控制下與外界環(huán)境的物質、能量交換行為如圖1所示。
2 模型建立及求解
結合上述對鋼鐵制造流程的描述，基于鋼鐵 制造系統(tǒng)的物質能量代謝行為對其進行建模。假設某大型鋼廠鋼鐵生產制造的主要系統(tǒng)包括幾個高爐煉鐵系統(tǒng)、s個電弧爐煉鋼系統(tǒng)以及m個轉爐煉鋼系統(tǒng)，各個系統(tǒng)之間是相互獨立的主體，每個子系統(tǒng)都時刻與其自身周圍外界環(huán)境進行物質與能量的交換，這些交互行為將各個子系統(tǒng)聯(lián)系在一起構成所要研究的對象系統(tǒng)。整個鋼鐵制造系統(tǒng)的生產既受到環(huán)境的資源制約，同時其輸出的排放物又對自然環(huán)境產生一定影響。煉鐵和煉鋼所需物質和能量均從外界獲取，根據(jù)高爐煉鐵和轉爐煉鋼的工藝特點及其在制造過程中所進行的物質能量行為，建立如下數(shù)學模型：
上述式中：式(1)為高爐煉鐵系統(tǒng)攝取的總物質量；式(2)為高爐煉鐵系統(tǒng)生產的總鐵水量；Ri為第i個高爐煉鐵系統(tǒng)從外界攝取的物質量；R。，、尺。：、R。，分別為第i個煉鐵高爐煉鐵所需的預還原球團量、燒結礦用量和焦炭用量；X為高爐煉鐵系統(tǒng)的鐵永總產量；r，、r：分別為還原球團和燒結礦的資源強度，根據(jù)分析一般取r，= 1.1、r2=1.4。式(3)為煉鋼系統(tǒng)從外界攝取的總物質量；式(4)為煉鋼系統(tǒng)的鋼水總產量；P，為第j個煉鋼爐所需輸入物質總量；Pj，、Pj2、PJ3分別為 R32第j個煉鋼爐煉鋼所需鐵水量、廢鋼量和預還原球團量；l，為煉鋼系統(tǒng)的鋼水總產量；o為輔料質量占鐵水輸入量的百分比，6為使用氧氣的資
源強度，盯為煉鋼系統(tǒng)對原料的金屬收得率，一般取a=10. 5%，6=0.081，盯=0.90;P．。為第
1個電弧爐所消耗的資源量。
建立上述模型后，為保證計算結果的準確性，并確定所有資源消耗的最優(yōu)值，作者采用遺傳算法對模型進行求解。遺傳算法作為一種啟發(fā)式算法，最初由美國密歇根大學的John Hol-lancl教授在20世紀60年代提出，是由自然界生物進化規(guī)律衍生出來的一種全局尋優(yōu)算法‘10]。首先根據(jù)問題和約束指定初始化種群的范圍，通過交叉和變異產生出新的種群，隨后經過進行優(yōu)勝劣汰”的選擇，使得所產生的解不斷地像全局最優(yōu)點靠近，在算法終止后可得出在迭代代數(shù)內的全局最優(yōu)解。通過該算法可得出式(1) -(4)中所有參數(shù)變量的最優(yōu)解，以下將通過案例對其進行詳細分析。
3 案例分析
針對某大型鋼鐵廠的實際生產數(shù)據(jù)，對該鋼鐵廠的鐵水和鋼水生產部分進行物質能量代謝建模。建模前，構造了6個與該廠生產直接相關的制造系統(tǒng)，分別為1號、2號、3號煉鐵制造系統(tǒng)，1號、2號轉爐煉鋼系統(tǒng)和3號電弧爐煉鋼系統(tǒng)，并構建了與之相關聯(lián)的焦化系統(tǒng)、燒結系統(tǒng)、預還原球團系統(tǒng)、廢鋼循環(huán)系統(tǒng)各1個，作為與鋼鐵制造系統(tǒng)隔離開來的人工環(huán)境系統(tǒng)。3個高爐分別從外界攝取其煉鐵所需的物質，產生的鐵水分配轉爐和電弧爐煉鋼使用。
鋼鐵制造系統(tǒng)模型建立完成后，根據(jù)鋼鐵廠實際生產條件，建立出各資源用量的物質平衡關系以及資源的使用約束量，以此作為鋼鐵制造系統(tǒng)模型的約束條件，從而通過編程計算出煉鐵和煉鋼系統(tǒng)原料的消耗使用量，實現(xiàn)對鋼鐵冶煉資源的優(yōu)化配置。具體步驟如下。
在高爐煉鐵系統(tǒng)中，根據(jù)高爐煉鐵系統(tǒng)在不同生產率工況下的實際生產情況，可以得出3個高爐煉鐵系統(tǒng)攝取的燒結礦用量的物質平衡關系為：
上述式中：K．，、K12、Kl3分別為1號煉鐵制造系統(tǒng)低、中、高生產率工況下的相對工時。由歸一化條件可得
焦炭使量為：
上述式中：e。，、e忍、e。，分別為第i號（i=1，2，3）高爐煉鐵系統(tǒng)低、中、高生產率工況下的焦比，根據(jù)生產經驗取eii=0.45、e12=0.40、e17=0.45、e21=0.55、e22=0.45、e23=0.45、e31=0.40、e32=0. 35、e33=0.40；ei0為第i號高爐使用單一預還原球團作為生產原料時的焦比，分別取eio=0. 30、e20=0.30、e30=0.30。
同時根據(jù)資源總量條件的約束，l號、2號、3號高爐煉鐵系統(tǒng)的預還原球團最高使用量分別為0.6×106 t、0.4 x106 t．0.8 X106 t，即
轉爐煉鋼系統(tǒng)中，在生產經驗和資源條件制約的情況下，生鐵用量、廢鋼用量和預還原球團用量應滿足如下關系：
將上述資源消耗情況以及式(5)~(7)作為模型約束條件，采用遺傳算法對建立的模型進行
求解，以高爐煉鐵攝取資源總量最小作為優(yōu)化目標，選取種群數(shù)100、交叉概率0.9、變異概率0.2、最大遺傳代數(shù)100代作為本次計算的算法參數(shù)。、通過編程，算法在100代終止迭代，此時物質能量代謝行為系統(tǒng)最優(yōu)環(huán)境適應數(shù)值即是高爐煉鐵系統(tǒng)攝取物質總量的全局最優(yōu)解，也是式(l)的最優(yōu)值。
在高爐煉鐵系統(tǒng)攝取資源總量最小前提下所生產的鐵水作為鐵水總產量提供給煉鋼系統(tǒng)進行煉鋼，從而得出式(3)和式(4)中煉鋼系統(tǒng)資源的消耗情況和鋼水產量，結合該鋼廠實際的物料投入產出統(tǒng)計數(shù)據(jù)，經整理后得到鋼鐵制造系統(tǒng)與鋼廠的實際資源消耗數(shù)據(jù)的差值，即優(yōu)化指標，結果如表l所示。
從表l中可以看出，與實際鋼鐵廠生產數(shù)據(jù)相比，通過鋼鐵制造系統(tǒng)的物質能量行為所建立的鋼鐵制造系統(tǒng)模型，在提高資源利用率、降低能源消耗方面主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)燒結礦用量減少。鋼鐵制造系統(tǒng)模型中燒結礦用量1 135. 87萬t，實際使用量1 188. 767萬t，優(yōu)化百分比為-4.45%。主要原因是上述鋼鐵制造系統(tǒng)模型中的廢鋼用量相比于實際生產多消耗了33. 339萬l，多消耗的廢鋼資源很大一部分作為原燃料被電弧爐煉鋼所消耗，從而在鋼水總產量最大化的基礎上，轉爐煉鋼所生產的鋼水量降低導致其所需消耗的鐵水量減少，所以降低了燒結礦的消耗。(2)電弧爐廢鋼使用量增加。鋼鐵制造系統(tǒng)模型中的廢鋼使用量為190. 099萬t，且高達174. 11萬t的廢鋼資源作為原燃料被電弧爐煉鋼所消耗，占廢鋼資源許用量的91. 59%。與鋼廠實際廢鋼使用量156. 76萬t相比，系統(tǒng)模型廢鋼消耗略為偏高。此種情況說明在電弧爐煉鋼中廢鋼資源的消耗能大大提高鋼水的產量。因此，在實際鋼廠生產中，可考慮使用其他資源代替廢鋼作為原燃料給轉爐煉鋼，將更多的廢鋼資源盡可能多的提供給電弧爐煉鋼系統(tǒng)。
(3)高爐煉鐵資源利用率提高。鋼鐵制造系統(tǒng)模型中焦炭用量為330. 167萬t，相比于實際鋼廠焦炭消耗下降了2. 58%，說明還原球團礦的用量對焦比的影響較小。同時，實際企業(yè)的鐵水產量為778. 59萬t．外界攝取焦炭、燒結礦和預還原球團的資源總量為1 804. 377萬t，高爐煉鐵資源利用率為43. 15%；而在鋼鐵制造系統(tǒng)數(shù)學模型中鐵水產量為771. 36萬t，攝取外界物質量為l 490. 011萬t，高爐煉鐵資源利用率為51. 77%，資源利用率提升8.62個百分點。結果充分說明，基于物質能量代謝行為所建立的鋼鐵制造系統(tǒng)數(shù)學模型對鋼鐵制造系統(tǒng)的資源消耗進行配料優(yōu)化，可以在滿足產量要求的前提下，實現(xiàn)提高高爐煉鐵資源利用率和高爐生產效率的目標。
(4)預還原球團使用量偏小。鋼鐵制造系統(tǒng)模型中預還原球團使用量偏小，僅為23. 980
萬t，而企業(yè)實際用量高達82. 383萬t。主要原因是考慮到還原球團鐵素含量較高，企業(yè)為了通過降低渣量來提高資源的利用率從而在鋼鐵冶煉過程中無限制地增加還原球團用量，但根據(jù)計算的結果來看，這樣一味增加還原球團用量的做法并不能滿足提高資源利用率的要求，因此要避免此種情況的出現(xiàn)。今后，在模型中可以考慮增加還原球團的最小約束量來加以改進。
4 結論
鋼鐵制造過程是一個資源的消耗與產品輸出i，X及廢物排放的過程。基于鋼鐵制造過程中物質能量代i行為建立的鋼鐵制造系統(tǒng)數(shù)學模型，很好地分析了鋼鐵制造過程中外界資源消耗和產品輸出量之間的關系。本文基于某鋼鐵廠高爐和轉爐的生產流程，建立了資源消耗的數(shù)學模型，并對其資源消耗和配置進行了優(yōu)化計算。計算結果表明，通過對主要資源的配置進行優(yōu)化，可以提高高爐煉鐵系統(tǒng)的資源利用率；適量增加廢鋼的使用量，使之更多地用在電弧爐煉鋼中，可以提高鋼水產量。
5摘要：
在分析鋼鐵制造的煉鐵和煉鋼過程中所攝取的主要資源自身物質能量代謝行為的基礎上，建立以高爐和轉爐生產為主的鋼鐵制造系統(tǒng)數(shù)學模型，并運用遺傳算法對鋼鐵制造系統(tǒng)攝取的資源總量及其配置關系進行討論。以某鋼鐵企業(yè)為例進行的分析表明，利用模型可以在資源消耗較小的情況下得到最優(yōu)的產量輸出，有效減少鋼鐵制造過程中的資源消耗，實現(xiàn)對鋼鐵冶煉資源的優(yōu)化配置，對構建綠色鋼鐵制造系統(tǒng)具有重要意義。
