一、研究的背景與問(wèn)題
1、建立多元化原料供應(yīng)體系，事關(guān)國(guó)家戰(zhàn)略資源安全。
我國(guó)優(yōu)質(zhì)鐵礦資源十分匱乏，且開采成本高昂，導(dǎo)致鐵礦石問(wèn)題突出，對(duì)外依存度長(zhǎng)期維持在80%以上。在未來(lái)，全球鐵礦石供應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)格局仍將延續(xù)，因此，有效稀釋鐵礦資源集中度、建立多元化原料供應(yīng)體系、推進(jìn)期貨市場(chǎng)建設(shè)等舉措，對(duì)于保障國(guó)家戰(zhàn)略資源安全意義重大。構(gòu)建基于一體化配礦技術(shù)的港口混礦模式，能夠充分依托港口的資源與物流優(yōu)勢(shì)，打造更為靈活的礦石供應(yīng)模式，同時(shí)塑造國(guó)產(chǎn)混礦品牌，平衡四大礦山與非主流礦山的產(chǎn)品供應(yīng)，逐步提升我國(guó)在國(guó)際礦石貿(mào)易中的話語(yǔ)權(quán)。
圖1中國(guó)鐵礦對(duì)外依存度及國(guó)家戰(zhàn)略政策
2、配礦降本增效，新形勢(shì)下全行業(yè)的共同期待
鋼鐵企業(yè)建設(shè)原料場(chǎng)和混勻設(shè)施面臨諸多挑戰(zhàn)，不僅占地面積大、投資成本高，而且環(huán)保要求嚴(yán)格。港口混礦模式可以結(jié)合區(qū)域用礦特點(diǎn)，推出標(biāo)準(zhǔn)混礦和定制化混礦產(chǎn)品，減少鋼鐵企業(yè)的重復(fù)投資。從成本結(jié)構(gòu)來(lái)看，鐵水成本占鋼鐵全流程的75%，配礦原料又占鐵水成本50%以上，配礦已然成為鋼鐵企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。然而，傳統(tǒng)的單工序“孤島式”經(jīng)驗(yàn)配礦，難以獲得鐵前全流程整體最優(yōu)的配礦方案，因此，一體化、智能化配礦尋優(yōu)是鐵前深度挖潛的關(guān)鍵，也是港口集約化混礦模式的基礎(chǔ)。
圖2煉鐵在全流程鋼鐵企業(yè)成本、能耗及排放占比
3、基于一體化配礦技術(shù)的港口集約化混礦是有力抓手，但面臨四大技術(shù)難題
首先，傳統(tǒng)的配礦技術(shù)的研究主要集中在單工序分段優(yōu)化方面，鐵區(qū)跨工序協(xié)同的一體化配礦技術(shù)體系尚未形成，存在技術(shù)空白，一體化配礦技術(shù)開發(fā)缺少核心架構(gòu)支撐。其次，目前的模型算法在面臨多工序、多目標(biāo)、非線性規(guī)劃問(wèn)題時(shí)存在求解難題，生產(chǎn)場(chǎng)景下還面臨資源、設(shè)備、用戶習(xí)慣的約束。再次，礦粉性能表征維度還不夠全面，成礦機(jī)制不夠清晰，缺乏統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的全尺度性能數(shù)據(jù)庫(kù)用以支撐模型的開發(fā)；最后，現(xiàn)有混礦模式生產(chǎn)流程復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量多、運(yùn)營(yíng)成本高，缺乏高效低成本混礦流程。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
中冶賽迪配礦技術(shù)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了行業(yè)首個(gè)覆蓋鐵區(qū)“原料-燒結(jié)/球團(tuán)-高爐”全工序協(xié)同優(yōu)化的配礦技術(shù)體系。通過(guò)建立前饋預(yù)測(cè)與反饋調(diào)節(jié)相融合的一體化配礦模型架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從港口到料場(chǎng)、到燒結(jié)球團(tuán)、進(jìn)入高爐冶煉的全過(guò)程混配礦技術(shù)需求。具體技術(shù)思路如下：
1.模型架構(gòu)設(shè)計(jì)：從冶金機(jī)理與數(shù)據(jù)建模協(xié)同的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一套一體化配礦模型架構(gòu)。該架構(gòu)不僅需要考慮前饋預(yù)測(cè)，還需要引入反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，確保模型能夠適應(yīng)全過(guò)程的混配礦需求。
2.礦粉性能表征方法：找到礦粉高溫鋪展行為、礦相定量化測(cè)定等新的礦粉性能表征方法，擴(kuò)展礦粉建模研究維度。通過(guò)建立統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的鐵礦粉全尺度性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)模型構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)支持。
3.核心預(yù)測(cè)模型構(gòu)建：結(jié)合工藝原理對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行研究，改善特征質(zhì)量，構(gòu)建燒結(jié)性能預(yù)測(cè)模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燒結(jié)過(guò)程中的礦粉性能，同時(shí)構(gòu)建了高爐爐況指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，能夠動(dòng)態(tài)評(píng)估高爐的運(yùn)行趨勢(shì)。
4.求解模型耦合與優(yōu)化：開發(fā)求解搜索算法，能夠在大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景下高效搜索最優(yōu)解，并通過(guò)耦合性能預(yù)測(cè)、反饋約束、誤差追溯模型，實(shí)現(xiàn)一體化配礦模型的前饋預(yù)測(cè)+反饋調(diào)節(jié)，確保求解過(guò)程的高效性和生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。
5.混礦加工創(chuàng)新解決方案：提出適用于港口的混礦加工創(chuàng)新解決方案，該方案結(jié)合一體化配礦技術(shù)，打造混礦新模式。
圖3以一體化配礦技術(shù)支撐不同客戶配礦需求
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
一體化配礦技術(shù)相較于國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)，其創(chuàng)新性成果在四個(gè)關(guān)鍵方面尤為突出，為行業(yè)突破困境開辟了新路徑。
1、在技術(shù)架構(gòu)創(chuàng)新，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功建立了一體化配礦整體技術(shù)架構(gòu)。該架構(gòu)屬業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，經(jīng)行業(yè)專家鑒定，已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
2、算法模型創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)提出了基于礦相特征擴(kuò)增的燒結(jié)性能預(yù)測(cè)模型、基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高爐爐況指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，以及基于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的誤差追溯算法。這些創(chuàng)新成果能夠系統(tǒng)指導(dǎo)配礦與操作的精準(zhǔn)匹配，在精度和魯棒性等主要指標(biāo)上，較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有模型全面提升，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。
3、針對(duì)港口混礦復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，創(chuàng)新了混礦工藝流程。首創(chuàng)基于短流程雙料合流多級(jí)勻化機(jī)構(gòu)的混礦加工工藝及流程，有效解決了港口混礦來(lái)料種類繁多、物流復(fù)雜、精度要求高的難題，為港口混礦作業(yè)提供了高效、可靠的技術(shù)方案。最為引人注目的是，項(xiàng)目在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面取得了重大突破?；谝惑w化配礦技術(shù)體系，在全球范圍內(nèi)率先建成千萬(wàn)噸級(jí)港口精混鐵礦石中心，該中心已連續(xù)五年穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，通過(guò)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，不僅產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還為行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展探索了一條新路。
一體化配礦技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅能確保礦源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，還為配礦方案的靈活調(diào)度與柔性生產(chǎn)提供了有力支撐。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)一體化配礦模型設(shè)計(jì)混礦產(chǎn)品方案組，從成分、粒度到性能等多個(gè)維度，克服了港口到貨時(shí)間不固定以及礦粉品質(zhì)不穩(wěn)定等難題。通過(guò)這種柔性的方案決策，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的穩(wěn)定輸出，為企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
圖4全球礦源性能互補(bǔ)的港口集約化混礦模式
四、應(yīng)用情況與效果
該技術(shù)始終以客戶需求為導(dǎo)向。根據(jù)客戶在燒結(jié)、球團(tuán)、高爐生產(chǎn)中的技術(shù)要求、產(chǎn)線能力，構(gòu)建模型邊界，定制化設(shè)計(jì)不同模式下的精混產(chǎn)品。此外，基于先進(jìn)的追溯模型，還能為客戶提供多工序配礦方案執(zhí)行匹配服務(wù)，在保障客戶配礦經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。2020年3月至今，支撐五礦曹妃甸公司銷售混勻粉近千萬(wàn)噸。所配精混產(chǎn)品先后銷售至唐山地區(qū)等多家大型鋼鐵企業(yè)。助力五礦標(biāo)準(zhǔn)粉品牌建立，打造了國(guó)產(chǎn)混礦期貨交割品牌。
圖5五礦曹妃甸千萬(wàn)噸級(jí)國(guó)際混礦中心鳥瞰圖
五礦一體化配礦混勻粉具有質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)異的特點(diǎn)。2021年1月，唐山地區(qū)某鋼鐵企業(yè)引入一體化配礦技術(shù)。使用一體化配礦混勻粉后有效減少了原料波動(dòng)，F(xiàn)e品位波動(dòng)顯著降低，燒結(jié)礦硅含量更加穩(wěn)定，堿度合格率提高2%，為燒結(jié)礦產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定提供了有力支持。不僅如此，生產(chǎn)的燒結(jié)礦具有更優(yōu)的冶金性能，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、還原性和低溫還原粉化率指標(biāo)顯著改善，為高爐爐況長(zhǎng)期穩(wěn)定建立了基礎(chǔ)。項(xiàng)目應(yīng)用企業(yè)平均燃料比降低1%，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為行業(yè)集約化、系統(tǒng)性降碳增效開創(chuàng)了新模式。
信息來(lái)源：中冶賽迪集團(tuán)有限公司
