夏志堅¹ ，瞿 濤¹ ，吳洪義¹ ，春鐵軍²

( 1. 寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波 315807;

2. 安徽工業大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

摘 要: 根據寧波鋼鐵公司原料及工藝參數，開發了網頁版的鐵礦評價及鐵前一體化優化配礦模型，模型界面簡潔、操作簡單。鐵礦評價包括鐵礦粉性價比分析，塊礦和球團礦性價比分析，燒結礦、塊礦和球團礦性價比分析。鐵前一體化優化配料模型兼具手動配礦和自動配礦兩種模式，可以根據效益最大或成本最低為目標進行優化配礦。模型使用后，有效指導了寧鋼鐵礦粉的采購，同時一體化配料優化的鐵水理論成本較現有人工方案低 2. 0 元/t. 鐵以上，經濟效益顯著。

關鍵詞: 鐵礦評價; 一體化配礦; 模型; 應用

0 引言

鐵礦石是鋼鐵生產最為重要的基礎原料。進入新世紀以來，由于中國鋼鐵工業的快速發展，造成鐵礦石嚴重短缺，從而引起鐵礦石市場價格發生很大變化，從 2001 年的每噸 27. 11美元漲到 2021 年的每噸超過 170 美元，而質量又降低了很多^{［1 － 2］}。2001 年前，鐵礦石國際市場常見的 18 種鐵礦粉，質量差的如澳大利亞的羅泊河礦，品位在 58% 左右，扣去燒損實際品位能達到 63. 7% ，Al₂O₃ 含量不超過 2. 8% 左右; 目前鐵礦石市場，有些含鐵品位低的還不足 50% ，SiO₂ 含量高達 11% 以上，Al₂O₃ 含量高達 6% 以上，價格高低不等差別特別大^{［3 － 4］}。

目前，我國每年進口鐵礦粉超過 10 億 t，市場上鐵礦粉種類超過 100 種，不同鐵礦粉性能和價格參差不齊，如何科學地進行采購并合理搭配用于生產，實現最大經濟效益和最低煉鐵成本是全國鋼鐵企業急需解決的難題^{［5 － 6］}。

張中中等^［7］介紹了一種聯動計算燒結、球 團、高爐的配礦模型，從整體布局的角度，尋求符合質量要求的鐵水最低成本配礦方案，在工業應用案例中實現了迅速求解最優方案。筆者結合寧波鋼鐵鐵前生產實際參數，通過模型能快速、定量、理性地對各種鐵礦石做出綜合評價，給出相關性價比排序，同時可以針對相關約束條件進行鐵前一體化優化配礦，為降低煉鐵成本，提高生產效率，加強原燃料管理提供技術支撐與依據。

1 性價比分析模型

鐵礦粉評價采用模擬全流程冶煉來計算成本或效益高低來進行排序; 在選定任意一個鐵礦粉作為基準后，根據效益一致計算出其它品種的鐵礦石價格; 塊礦、球團性價比分析按照模擬冶煉條件來進行排序，并計算出其它品種和選定基準品種之間的合理差價; 采用有效噸度價進行自產燒結礦和塊礦、球團之間性價比排序。

1. 1 基礎數據管理

在進行性價比分析之前，首先對模型所需要的性價比分析參數進行設置。設置主要包括公共參數和權重參數。

公共參數包括性價比分析用到的生石灰、白云石和硅石的主要化學成分，以及基準入爐品位; 包括基準產量、焦比、煤比、品位對焦比影響、品位對產量影響、燒結礦基準還原度、塊礦和球團礦基準還原度等; 包括原料以及產品的價格等參數。初始設置基準煤比為 150 kg /t，基準焦比 350 kg /t，基準產量 12 000 t，基準入爐品位55%，品位對焦比影響為 1. 5%，品位對產量影3. 0%，設計鐵回收率 99. 7%，爐渣脫硫率95%，基 準 鐵 水 價 格 2 000 元/t，固 定 費 用2 000 000 元，煉鋼軋鋼成本 400 元/t，鋼材市場售價 3 500 元/t。鐵 水 Fe 含 量 94%，Si 含 量0. 5%。權重參數又分為鐵礦粉權重參數和高爐爐料權重參數，其中鐵礦粉權重參數包括 S、P、Mn、K、Na、Pb、Ti、Zn、FeO 和燒損的影響。

1. 2 鐵礦粉性價比分析

鐵礦粉性價比分析是模擬單種礦冶煉方法，在滿足限制條件前提下，以效益最優或者煉鐵成本最低為目標，批次進行優化配礦，按照效益最大或成本最低進行性價比排序。限制條件包括高爐渣鎂鋁比，爐渣堿度，燒結礦堿度等。

效益 = 產量 x ( 鋼材市場售價 － 煉鋼軋鋼成本 － 煉鐵成本) ; 其中，煉鐵成本 = 鐵礦成本 +燒結熔劑成本 + 燒結燃料成本 + 高爐燃料成本+ 高爐熔劑成本 + 有害元素成本 + 固定成本; 其中，有害元素成本根據參數設置里面每種有害元素權重乘以評價鐵礦粉中對應含量進行求和。固定成本 = 固定費用/產量，見圖 1。

在選定任意一個鐵礦粉作為基準后，根據效益一致計算出其它被評價品種的鐵礦粉的計算采購價格，實際采購價格與計算價格的價差以及與基準效益價差，見圖 2。

1. 3 球團與塊礦性價比分析

在自產燒結礦在 80% ～ 85% 范圍內，分別將塊礦和球團與自產燒結礦進行搭配，在滿足一定限制條件前提下，限制條件包括鎂鋁比，爐渣堿度，爐渣 Al₂O₃ 含量上限和鐵水 P 含量等。以鐵水效益最高或鐵水成本最低為目標，分別批次優化每種被選塊礦或燒結礦的配比，得到對應的鐵水效益和成本，以及在此條件下冶煉的關鍵參數。

綜合考慮了球團礦和塊礦的化學成分及粒度組成，以及球團礦的抗壓強度、還原度和還原膨脹，塊礦的還原度和熱爆指數等，對選定的塊礦、球團之間進行性價比排序，并計算出其它品種和選定基準品種之間的合理差價。在選定任意一個塊礦或者球團品種作為基準后， 根據效益一致計算出其它品種的塊礦和球團礦的價格，見圖 3。

1. 4 燒結礦、球團與塊礦性價比分析

燒結礦、球團礦和塊礦性價比分析按照噸度價性價比進行排序。噸度價 = 有效價格/有效鐵品位; 其中，有效價格 = 采購成本 － 有害元素價值; 有害元素價值根據參數設置里面，有害元素權重乘以有害元素含量，累計求和。有效鐵品位 = ( TFe － 0. 4xFeO) / ( 100 + 2xＲ4 ( SiO₂ + Al₂O₃ ) － 2 ( ( CaO + MgO) ) ，四元堿度Ｒ4 取 1. 0。然后根據燒結礦、球團礦和塊礦分別計算出來的噸度價進行性價比排序，見圖 4。

2 鐵前一體化配料模型設計與開發

為了使混勻礦配礦優化、燒結配礦優化和高爐配礦優化三個配礦模塊進行聯動，開發了鐵前一體化優化配料模型，從鐵礦粉到混勻礦，再到燒結配料和高爐配料，作為一個整體進行設計，計算和優化。一體化配礦優化模型同樣設置了手動配礦和自動配礦兩種模式。

2. 1 手動配礦

手動配礦同樣是人工輸入每種礦粉的配比、燒結原料配比和高爐爐料配比，進行計算。燒結礦噸度價 = 燒結礦成本/燒結礦鐵品位; 其中，燒結礦成本 =配礦成本 +熔劑成本 +燃料成本 +固定成本; 煉鐵成本 = 礦耗成本 + 燃料成本 + 固定成本;固定成本 =固定費用/產量，見圖5。

根據入爐基準品位，基準產量，品位與產量的關系，可計算出對應產量; 根據基準焦比，品位與焦比的關系，可計算出對應的焦比; 煤比固定不變。由于鐵水中 TFe 設定為 94%，可計算出礦比 =94 /高爐爐料 TFe。根據高爐爐料化學成分，焦炭和煤粉化學成分，可計算高爐冶煉 S、Pb、Zn、堿等負荷以及爐渣成分，進而得到爐渣鎂鋁比，堿度等結果。此外，根據對應的分配系數，可計算鐵水 S 含量，P 含量。

2. 2 自動配礦

自動配礦是以煉鐵成本最低或效益最大為目標，在滿足燒結和高爐限制條件下，優化出混勻礦各鐵礦粉配比、燒結熔劑配比、高爐爐料的配比等，進而計算出混勻礦成分、混合料成分、燒結礦成分、燒結礦成本、鐵水成分、爐渣成分、堿負荷、關鍵參數等信息。

自動 配 礦 設 計 了 多 套 優 化 算 法，包 括interior － point 法和 SQP 法。數學模型包括以下三個方面。以鐵水成本最低或者效益最大為目標函數。限制條件包括燒結限制條件和高爐限制條件。燒結限制條件主要包括燒結礦化學成分，例如 TFe、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃ 等，以及燒結礦鋁硅比、堿度、磁鐵礦比例、褐鐵礦比例等。上述限制條件設置上限和下限。高爐配料模型限制條件包括鐵水 P 含量、Pb 負荷、Zn 負荷、堿負荷、爐渣堿度、爐渣鎂鋁比、入爐品位、爐渣 MgO 含量等，見圖 6。

1) 決策變量: X = ( x1，x2，……，xi) T ，X ∈Ｒi

( 2) 目標函數: f( X) = minf( X)

( 3) 限制條件: gi ( X) ≤ 0 ( i = 1，2，……， m) 或 hi ( X) = 0 ( i = 1，2，……，p)

以煉鐵成本最低為目標，在滿足上述限制條件下，優化出混勻礦各個鐵礦粉配比、燒結熔劑配比、高爐爐料的配比等，進而計算出混勻礦成分、混合料成分、燒結礦成分、燒結礦成本、鐵水成分、爐渣成分、堿負荷、關鍵參數等信息。

根據高爐爐料化學成分，焦炭和煤粉化學成分，可計算高爐冶煉 S、Pb、Zn、堿等負荷。爐渣成分首先根據爐料比例，根據分配系數，設定鐵水中 SiO₂ 含量，計算出爐渣中 SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃ 等的重量，得到渣量，進而計算爐渣各元素的比例，同時也得到爐渣鎂鋁比，堿度等結果。同樣，根據對應的分配系數，可計算鐵水 ［S］、［P］、［Mn］、［Ti］ 等成分，見圖 7。

3 結語

1) 結合寧鋼鐵前原料條件和生產實際參數，開發了鐵礦評價及鐵前一體化優化配礦模 型，采用 Java 編程軟件完成對網頁版模型軟件系統的界面設計和代碼編寫，操作環境整齊簡潔，操作方便易懂。

2) 進行鐵礦粉單品種采用模擬全流程冶煉來計算成本或效益高低來排序; 在選定任意一個礦粉作為基準后，根據效益一致計算出其它品種的鐵礦石價格; 進行塊礦、球團按照模擬冶煉條件來進行性價比排序，并計算出其它品種和選定基準品種之間的合理差價; 采用有效噸度價進行自產燒結礦和塊礦、球團之間性價比排序。

3) 針對鐵前一體化優化配礦模塊開發了手動配礦和自動配礦兩種模式，靈活滿足配礦的需要。手動配礦為人工輸入每種原料的比例，進行手動配礦，計算出相關結果。自動配礦為首先根據相關模型要求進行限制條件約束，包括計算結果的約束，以及原料配加比例的約束。 然后以成本最低或者效益最高為優化目標，優化出最優的原料配比，在此配比條件下，計算出對應的結果。一體化配料模型，從鐵礦粉到混勻礦，到燒結配料到高爐配料，作為一個整體進行設計，計算和優化。一體化配料優化模型的鐵水理論成本較現有人工方案低 2. 0 元/t. 鐵以上，經濟效益顯著。

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