CN101532082B

CN101532082B - 一种铁矿石烧结试验方法

Info

Publication number: CN101532082B
Application number: CN2009101360130A
Authority: CN
Inventors: 蒋大均; 何木光; 林千谷
Original assignee: Pangang Group Steel Vanadium and Titanium Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Steel Vanadium and Titanium Co Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: CN101532082A

Abstract

本发明公开了一种铁矿石烧结试验方法。该方法包括以下步骤：确定铁矿石烧结试验的目标与影响因子，以进行多因子多水平试验；选择合适的均匀设计试验方法，以确定采用的均匀设计表；按照确定的均匀设计表进行铁矿石配料、混合、点火、抽风烧结-试验，以得到一系列试验结果；利用均匀设计表的因子水平所对应的试验结果进行分析，采用直观择优与模型寻优的方法，以确定铁矿石烧结的最优参数组合，且进行必须的验证性试验。根据本发明的铁矿石烧结试验方法，不仅可以大大缩短试验时间、降低能耗，而且能取得高效高质量的试验结果。

Description

一种铁矿石烧结试验方法

技术领域

本发明属于冶金领域，具体地讲，本发明涉及铁矿石烧结试验方法。

背景技术

烧结工艺参数与烧结矿的质量和产量有着密切的关系。因此，选择较好的工艺参数对降低烧结成本以及节能降耗有着非常重要的作用。

烧结过程是一个复杂的物理化学过程，影响烧结的因素也很繁杂。因此，为了得到最佳的烧结工艺参数，需要进行大量烧结试验来优化。烧结试验是指导烧结设计、生产工艺条件优化的基础，也是烧结研究的重要组成部分。然而，烧结试验过程环节多，工作量大，因此，为了缩短试验周期，节约试验成本，有时会人为削减试验因子数与水平数。但是，这样对试验效果的影响很大。烧结试验具有如下特点：

1、烧结试验工作量大、试验时间长、环境恶劣。烧结杯试验中环节多，工作量很大，试验出来的结果还不一定满意，因此试验方法至关重要。如果能使用适当的方法，既能减少试验次数，又能获得满意的效果，将起到事半功倍的作用。

2、烧结试验一般都进行单因子或少因子试验。由于烧结试验量大，所以一般采用减少试验因子与水平来进行烧结试验，即，固定许多因子，只试验1个至3个因子，这显然是不恰当的，与进行烧结试验的初衷和目的相违背；而从烧结学的角度来说，烧结因子是相互影响相互制约的，其中任何一个因子变动，都会对试验考察的指标产生影响，主要原因是单因子试验忽略了其它因子的影响。

3、对于烧结试验，为了减少试验次数，需要缩短水平的上下限范围或者范围不缩小而拉大水平间距。有许多试验寻优往往是在因子的大范围内试验获得的，水平间距太大，试验点太少影响试验结果。有的试验在水平间距变化过大后，往往出现跳跃性，难以找出连续性规律，或者最好的结果可能存在于试验范围以外。

4、烧结杯试验条件难以控制，试验结果重现性差。特别是试验时间跨度大，例如持续时间长达几十天的试验，很难保证试验设备状况，原燃料条件及其它外界干扰影响保持一样，因此有时还要安排同一方案的两组平行试验，这将使工作量增大一倍。

因此，要准确客观地反映试验规律，找出事物本质性的东西，就必须增加因子数，加宽水平的试验范围，缩短水平间距，增加试验点，这就增大了工作量。为此，对于烧结试验，需要一种既能很好地解决减少试验次数而又使试验具有代表性的试验设计方法。

因子和水平数少于4的试验设计，易于选择适用的方法较多，如正交试验设计、回归正交试验设计、旋转设计、D-最优设计等，试验次数通常是十几个，一般能够接受。但是，当描述复杂自然现象和探讨复杂的规律试验因子和水平在5个以上时，用上述方法试验次数会剧增，使得试验工作量难于接受，只好简化条件或是取消试验考察。

均匀设计是我国独创的一项重大的科学试验方法，1978年由方开泰和王元教授共同提出，它是考虑如何将设计点均匀地散布在试验范围内而又具有代表性，使得能用较少的试验点获得最多的信息，是处理多因子多水平试验设计的首选方法，可用较少的试验次数，完成复杂科研课题和新产品的研究和开发。均匀设计法已广泛应用于各个领域特别是国防等尖端领域，并取得了显著的成效。目前，还未见烧结与炼铁专业领域有全面、系统地采用均匀设计而创造性地开展试验研究等相关报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁矿石烧结试验的全新方法，能用较少的试验次数而又使试验点具有代表性，从而缩短试验时间，提高试验效率，节约试验成本，达到优质高效的目的。

本发明公开了一种铁矿石烧结试验与参数寻优方法，所述方法采用均匀设计试验方法来进行铁矿石烧结试验，包括以下步骤：

1、确定铁矿石烧结试验的目标与影响因子，进行多因子多水平试验；

2、结合烧结试验特点在可用的均匀设计试验的各种方法确定一种本试验采用的具体方法；

3、根据所选的均匀设计方法，选择一张本试验所用的均匀设计表，将试验因子与水平(具体的物理量)填入均匀设计表对应的因子与水平位置上；

4、如果无本试验可用的现成均匀设计表，则必须结合专业特点对已有的均匀设计表进行改造，使其可用于本试验；或者重新修改因子-水平数，使其可用现成的均匀设计表来进行试验；

5、按照均匀设计试验方法进行铁矿石配料、混合、点火、抽风烧结-试验，以得到一系列试验结果；

6、对试验参数进行初步直观择优；对试验结果建模；

7、第二次使用利用均匀设计表计算模型，结合直观择优与专业特点，以确定铁矿石烧结的最优参数组合；

8、对寻优参数进行必须的验证性试验。

根据本发明的铁矿石烧结试验方法，不仅可以大大缩短试验时间、降低能耗，而且能取得高效高质量的试验结果。

具体实施方式

本发明是一种基于均匀设计原理的试验方法。发明人结合烧结专业特点，提出烧结试验使用均匀设计的试验方法与步骤。首先，介绍一下均匀设计原理。方开泰和王元院士提出了两个定义，它是构造均匀设计表的基础。

定义1每一个均匀设计表是一个方阵，设方阵有n行m列，每一行是{1，2，...，n}的一个置换(即1，2，...，n的重新排列)，表的第一行是{1，2，...，n}的一个子集，但不一定是真子集。

置换生成的均匀设计表记作U_n(n^m)，m是n的欧拉函数，记为m＝E(n)，这个函数通过数论方法可以求出均匀设计表最多可能有多少列。

定义2设x₁，…，x_n为C^m中的n个点，任一向量x＝(x₁，…，x_m)∈C^m，记v(x)＝x₁…x_m为矩形[0，x]的体积，n_x为x₁…x_n中落入[0，x]的点数，则

D (x_{1}, . . ., x_{n}) = \sup_{x &Element; C^{m}} | \frac{n_{x}}{n} - v (x) |

称为点集{x₁，…，x_n}在C^m中的偏差(discrepancy)。均匀设计表必须满足中心化偏差CD达到最小的准则来度量点集分散的均匀性。

均匀设计表就是基于上面两个原理进行构造的。将U_n+1表中划去最后一行而得到另一种均匀使用表U_n ^*，它具有更好的均匀性。

本发明就是结合专业特点运用均匀设计表的因子与水平表的排列方法安排烧结试验。均匀设计与正交设计本质上都是在试验的范围内给出挑选代表点的方法。正交设计是根据正交性准则来挑选代表点，使得这些点能反映试验范围内各因子和试验指标间的关系，它在挑选代表点时有两个特点：均匀分散和整齐可比，其中，“均匀分散”使试验点有代表性，“整齐可比”便于试验数据的分析。为了保证“整齐可比”的特点，正交设计至少要求做q²次试验。若要减少试验的次数，就只能去掉整齐可比的要求。均匀设计就是只考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计方法。与正交设计相比，均匀设计有其独特的布点方式，其特点表现在以下四点：

(1)每个因子的每个水平做一次且仅做一次试验。

(2)任何两个因子的试验点均点在平面的格子点上，每行每列有且仅有一个试验点。

(3)均匀设计表任何两列组成的试验方案一般并不等价。

(4)当因子的水平数增加时，试验数仅按水平数增加量而增加。

例如，对于8个水平的多因子试验，正交设计至少要做8²＝64次试验，而均匀设计所做试验次数仅与水平数相同，即只做8次试验，而且能达到高质量的试验要求。均匀设计表的使用规则如下：

A、均匀设计表构造形式为U_n(q^m)，U为均匀设计表，m为试验因子数，q为试验水平数，n为试验次数，其中，n≥q，当n＝q时即为试验次数等于水平数的均匀设计表U_n(n^m)。

B、均匀设计表的选取与应用，除了根据实际情况确定因子数与水平数外，选取的均匀设计表的准则是中心化偏差CD最低者优先，这样的均匀设计表均匀性更好，试验代表性更强。

C、均匀设计的最大特点是试验次数可以等于最大水平数，而不是试验因子数平方的关系，试验次数仅与需要考察的因子x个数，但是，一般来说，试验次数选为试验因子个数的3倍左右为宜，有利于建模和优化。

例如，安排5因子5水平的试验，按照均匀设计理论，试验次数最少只有5次，使用均匀设计表U₅(5⁵)，但这不利于结果分析，很难建模，所以可以使用5因子5水平15处理的均匀表U₁₅(5⁵)安排试验。

D、适用范围：均匀设计适用于多因子多水平的试验设计。对于因子水平数小于5的试验一般使用正交设计即可满足需要。

虽然方开泰教授等已经设计出一系列的均匀设计表，可以直接使用，但是有时候需要结合专业特点对均匀设计表进行改进。均匀设计应用的主要内容有等水平均匀设计、混合水平均匀设计、配方均匀设计、有限制的配方均匀设计等。下面，将对这些均匀设计方法应用于烧结试验的情况进行进一步的说明。

1、等水平因子的均匀设计

由于试验因子数与水平数受限，所以得出的试验结果条件都比较理想化。但是，实际生产中的影响因子是很多的，因子水平也在波动，因此试验结果一般不能直接用于指导生产。例如，要考察对烧结矿强度的影响因子，首先考虑料层厚度x₁，混合料水分x₂，配炭x₃，点火温度x₄，碱度x₅，烧结负压x₆等6个因子，每个因子只考虑6个水平。

如果进行等水平试验(试验因子的水平数一样多，均是6水平)，要进行全面试验，则试验次数为6⁶＝46656；如果使用正交设计，则最少需要试验36次；如果使用2水平6因子全试验次数1/2实施，二次回归正交设计需要试验45次，二次正交旋转组合设计需要试验59次，二次通用旋转组合设计需要试验53次。由此可见工作量是非常大的，而且最多处理5个水平数，而对于5水平以上没法处理。然而，使用均匀设计就能很好地解决这个问题。使用等水平均匀设计表U₆(6⁶)，最少试验次数可以为6次，见下面的表1。

表16处理6因子6水平均匀表U₆(6⁶)(CD＝0.3442)

试验号	x₁	x₂	x₃	x₄	x₅	x₆
							N1	4	1	5	2	1	4
N2	3	4	6	6	5	5
							N3	5	5	1	3	3	6
N4	6	2	3	5	4	1
							N5	1	6	4	4	2	2
N6	2	3	2	1	6	3

表1中的数值代码为对应因子的水平数。因此，按表1中的方案可以直接安排试验。通过这6次试验就可找出烧结矿强度最高时的参数组合。如果考虑建模，则可增加试验次数。例如，考虑试验18次(水平数的3倍，即n＝3q)，使用均匀设计表U₁₈(6⁶)安排烧结方案，见下面的表2。

表218处理6因子6水平均匀表U₁₈(6⁶)(CD＝0.0357)

因子	N1	N2	N3	N4	N5	N6	N7	N8	N9	N10	N11	N12	N13	N14	N15	N16	N17	N18
																			x₁	2	4	5	6	1	3	4	1	1	4	3	2	6	5	3	6	2	5
x₂	6	1	3	4	2	5	6	5	3	4	2	1	1	6	4	5	3	2
																			x₃	6	1	5	2	4	3	4	2	5	5	6	3	4	3	1	6	1	2
x₄	4	3	1	2	5	6	1	1	3	6	2	2	4	3	4	5	5	6
																			x₅	4	3	3	4	4	3	2	5	1	5	6	2	5	6	1	2	6	1
x₆	3	4	6	1	6	1	2	4	1	5	3	5	2	5	6	4	2	3

通过试验同样可以找出强度最高时的参数组合，另外，还可以建模，参数适当外推，对模型优化可以找出最优值的参数组合。由此可见，使用均匀设计表既能体现试验具有代表性，又能减少无意义的工作量，缩短试验时间。

2、不同水平因子的均匀设计

在烧结试验中有大量各个因子的水平数不相等的情况，对特别关键的因子希望试验的水平数要多些，当试验中各个因子的水平数不相等时，需要构造混合水平的均匀设计表，其构造方法主要是拟水平法，方法与正交表改造一样，在此不再赘述。

考察生石灰配比对烧结产量的影响，希望考察生石灰配比x₁(12水平)、富矿配比x₂(6水平)、配炭x₃(6水平)、混合料水分x₄(4水平)、料层厚度x₅(4水平)、返矿用量x₆(3水平)，希望试验次数12次。混合均匀设计表中要求试验次数必须为水平数的最小公倍数，首先列出因子条件，见下面的表3。

表3因子水平数不同条件设置

项目	因子数	水平数
			因子12水平	1	12
因子6水平	2	6
			因子4水平	2	420
因子3水平	1	3

用拟水平法构造的均匀设计表U₁₂(12×6²×4²×3)方案见下面的表4，可以直接安排试验。

表4混合均匀设计表U₁₂(12×6²×4²×3)(CD＝0.2501)

试验号	x₁	x₂	x₃	x₄	x₅	x₆
							N1	7	6	4	1	2	1
N2	1	3	3	3	4	1
							N3	2	3	5	1	2	3
N4	6	1	4	4	3	3
							N5	5	1	1	2	2	1
N6	9	2	6	3	1	2
							N7	11	4	5	4	3	1

N8	12	4	3	2	1	3
							N9	4	5	6	2	4	2
N10	3	5	2	4	1	2
							N11	10	2	2	1	4	2
N12	8	6	1	3	3	3

3、配方均匀设计

配方设计在烧结领域中十分重要，假设有s种原料M₁、M₂、...、M_s，它们在产品中的百分比分别记作x₁、x₂、...、x_s，显然，x₁≥0，x₂≥0，...，x_s≥0，x₁+x₂+...+x_s＝1。欲寻找最佳配方，需要做配方试验或混料试验，配方均匀设计可以解决这类试验问题。

要研究几种矿石在不同的配比方案下的烧结性能，希望作10次试验就能找出最佳搭配。由烧结专业与实践可知，任何一个烧结试验，随着条件的变化，其试验中的水分、配炭、料层厚度均是必不可少的要考虑的因子，只有这样才能找出比较合适的参数组合。现在考虑5种铁矿石，配比如何搭配才能使烧结的产量、强度、还原性最优。设定5种矿石的配比分别为x₁、x₂、x₃、x₄、x₅，水平数分别为10；混合料水分x₆、配x₇、料层厚度x₈，水平数分别为5。矿石配比下限约束范围a(0.425，0.15，0.08，0.04，0.03)，上限约束范围b(0.65，0.225，0.17，0.085，0.095)。很显然，须用混合水平的均匀设计表U₁₀(10⁵×5³)，前5列安排矿石配比，后3列安排工艺参数。但是，这里涉及到配比有约束条件，就是x₁+x₂+x₃+x₄+x₅＝1，即每次试验的矿石配比之和必须为100％，而且每种矿石都有一定的约束范围，直接用U₁₀(10⁵×5³)设计的方案可能出现x₁+x₂+x₃+x₄+x₅≠1。为此，均匀设计采用T^s(a，b)均匀分布的算法，在约束范围上产生配比均匀分布点。试验方案见下面的表5，前5列是矿石配比，后3列是混合料水分、配、料层厚度的水平数。

表5有限制的配方均匀设计表U₁₀(10⁵×5³)(CD＝0.3754)

试验号	x₁	x₂	x₃	x₄	x₅	x₆	x₇	x₈
									N1	0.56	0.18	0.04	0.07	0.15	2	5	4
N2	0.52	0.20	0.06	0.09	0.13	5	3	2
									N3	0.53	0.22	0.07	0.04	0.14	4	3	5
N4	0.48	0.21	0.08	0.08	0.15	1	5	3
									N5	0.60	0.21	0.05	0.03	0.11	5	1	3

N6	0.56	0.22	0.06	0.06	0.10	4	4	4
									N7	0.58	0.20	0.05	0.08	0.09	3	2	1
N8	0.53	0.20	0.06	0.05	0.16	2	1	5
									N9	0.61	0.19	0.07	0.05	0.08	1	2	2
N10	0.52	0.22	0.08	0.06	0.12	3	4	1

由表5可见，每次试验号的前5列配比之和为1，体现了专业要求与均匀设计的特点。如果考虑建模，则可以增加试验次数，例如可以使用U₂₀(10⁵×5³)，方法一样，在此不再赘述。

4、均匀设计试验数据的处理分析

采用均匀设计实施试验，结果出来后，数据的分析处理主要包括以下两方面：一是根据试验结果直接选定效果最好的条件组合；二是采用回归建模，进行回归分析，对模型中某些参数变化特性探索，参数灵敏度分析，寻找影响某些变化的主要因子及最优的参数组合，这与其它试验设计方法的数据分析没有大的区别。

但是，无论是直观择优还是模型寻优得出的参数都必须进行验证性试验，这是关系到均匀设计试验成败的关键。

5、使用均匀设计对参数寻优

均匀设计主要用于试验设计，但对于已经知道数学模型的试验、生产过程同样可以利用均匀设计对参数寻优，这种方法称为均匀设计计算机试验。这种寻优不是去安排试验研究因子之间的反应机理，而是用这种方法更加快捷简便地寻找符合条件的参数。在特定的约束范围下，将每因子的上下限取值，从下限到上限等间距地划分为n个水平，n个因子。如果全部排列将有nⁿ种组合，在这样多的组合中去寻优是非常不现实的。但是，使用均匀设计表就只有n种组合，同样使用一张现成的均匀设计表，将表中代码对应的各因子的水平数填入即完成了各种参数组合，用已知模型计算每种组合条件下的目标函数，找出目标函数最优时的参数组合，就完成最优化方案寻优。这种方法比盲目去寻找简便快捷得多。

本发明提出了一种铁矿石烧结试验方法，将均匀设计表灵活地应用于烧结试验，进行多因子多水平试验(在这里，要注意的是，因子与水平少的试验无需采用均匀设计试验)，并且结合烧结专业特点对均匀设计表进行了改进。此外，在本发明中，还对试验结果参数建模，第二次运用均匀设计表进行模型计算，而不是常规的寻优方法对适合烧结试验的参数寻优，而对于无极值的模型更具优势，对于由其它试验而得到的其它模型同样适用。另外，在本发明中，还对寻优而得的参数进行验证性试验。

具体地讲，根据本发明的铁矿石烧结试验方法包括以下步骤：

(1)确定铁矿石烧结试验的影响因子，确定因子数与水平数，以进行多因子多水平试验；

(2)结合烧结试验特点，在可用的均匀设计试验的各种方法中确定一种本试验采用的均匀设计试验方法。具体地讲，根据所选的均匀设计方法，选择一张本试验所用的均匀设计表，将试验因子与水平(具体的物理量)填入均匀设计表对应的因子与水平位置上。如果没有本试验可用的现成均匀设计表，则结合烧结试验特点对已有的均匀设计表进行改造，使其可用于本试验；或者重新修改因子-水平数，即，在不影响试验结果的前提条件下适当修改因子与水平数，使其可用现成的均匀设计表来进行试验。在这里，要注意的是，当对均匀设计表进行改造时，改造后的均匀设计表必须满足中心化偏差CD达到最小的准则来度量点集分散的均匀性；

(3)按照均匀设计试验方法进行铁矿石配料、混合、点火、抽风烧结-试验，以得到一系列试验结果；

(4)利用均匀设计表的因子水平所对应的试验结果进行分析，采用直观择优与模型寻优的方法，以确定铁矿石烧结的最优参数组合，并且通过验证性试验确定均匀设计试验的最终结果。

如在上面所提到的，在本发明，可采用的均匀设计方法有等水平因子的均匀设计、不同水平(混合水平)因子的均匀设计、配方均匀设计、模型寻优均匀设计。试验物理量是指烧结试验特有的因子与水平量。

根据本发明的铁矿石烧结试验方法，试验结果与均匀设计表的因子水平数相对应，一种因子-水平数组合对应一种试验结果或指标。最优参数的组合可以通过直观择优得到，即直接选取指标结果最优所对应的因子-水平组合而达到试验目的；或者以试验因子为自变量，试验结果为因变量建立多元模型，通过模型寻优得到最优参数的组合。在这里，用模型寻优的具体步骤为：再次使用均匀设计表，按照该均匀设计表的因子水平数排列布阵，用模型计算试验目标函数(试验性能指标)，选取目标函数最优时的因子水平作为最优参数组合。

根据本发明，铁矿石烧结试验的影响因子有很多，例如铁矿石配比、料层厚度、混合料水分、燃料配比、熔剂配比、碱度、点火温度、烧结负压、烧结终点、垂直烧结速度、返矿用量等。在本发明中，铁矿石可以为一般的铁矿石，即各种含有铁元素并有冶炼价值的铁矿石。目前所用的铁矿石主要有磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等。

下面，将结合具体的实施例来进一步说明本发明的铁矿石烧结试验方法。

实施例1

下面结合褐铁矿烧结试验来进一步阐述本发明的铁矿石烧结试验方法。

众所周知，褐铁矿属于难烧矿石，含有结晶水(Fe₂O₃.nH₂O)，烧结性能较差。国内外实践表明，褐铁矿烧结强度差，成品率低，固体燃耗高。但是，褐铁矿价格相对便宜，烧损后品位上升，将有利于提高入炉品位降低成本，还有利于缓解高品位铁矿石资源紧缺的状况。

因此，针对烧结专业的特点，研究褐铁矿烧结性能必须考察褐铁矿配比、燃料配比、混合料水分、料层厚度4个因子。如果采用全因子多水平完全试验，则将使试验次数剧增甚至不可接受。因此，根据本发明，运用均匀设计将明显减少试验次数且具有代表性。根据本发明的对铁矿石进行烧结试验的方法，对一种褐铁矿进行了均匀设计试验。试验所用褐铁矿成分见表6。

表6烧结常用褐铁矿的理化性能

TFe(％)	FeO(％)	SiO₂(％)	CaO(％)	MgO(％)	Al₂O₃(％)	S(％)	P(％)	烧损Ig(％)	Fe₂O₃(％)	水分(％)	堆比重(t/m³)	平均粒度(mm)
													55.28	0.26	3.47	2.52	2.86	1.38	0.063	0.020	10.06	78.69	11.2	1.783	3.32

1、采用混合水平均匀设计法，确定影响因子数与水平数

由于褐铁矿烧结要考察的影响因子多，本实施例考察褐铁矿配比、料层厚度、水分、燃料配比4个因子，这是必须考虑的重要因子，进行“6水平3因子+4水平1因子”试验。如果要进行全因子全水平组合试验，将试验864次(约试验2年时间)，但是采用混合水平均匀设计法只需试验12次(约10天时间)即可，见下面的表7。

表7混合水平均匀设计表U₁₂(6³×4¹)(CD＝0.1469)

试验号	N1	N2	N3	N4	N5	N6	N7	N8	N9	N10	N11	N12
													x₁	2	5	2	6	4	3	1	6	5	3	4	1
x₂	1	1	4	3	2	6	3	5	4	2	6	5
													x₃	4	3	1	1	6	6	5	4	5	2	2	3
x₄	1	3	3	2	2	3	4	4	1	4	1	2

2、试验因子与水平

根据上面的表7，结合烧结褐铁矿的具体特点，确定褐铁矿烧结实验的试验因子与水平数如下：

(1)6水平褐铁矿配比x₁：2％、4％、6％、8％、10％、12％；

(2)6水平燃料配比x₂：4.7％、5.0％、5.3％、5.6％、5.9％、6.2％；

(3)6水平混合料水分x₃：6.0％、6.5％、7.0％、7.5％、8.0％、8.5％；

(4)4水平料层厚度x₄：530mm、570mm、610mm、650mm。

铁矿石配矿结构为：精矿+澳矿+国内高粉+褐铁矿+中粉＝80％，同时进行1组不用褐铁矿的基准期试验与2组褐铁矿验证性试验。

3、试验方法

根据上述要求配矿后，生石灰外加消化水40％，消化时间4min，混合料装入Φ600×1200mm的圆筒混合机内制粒4min，混合机转速为16.77rpm。烧结试验在Φ250×730mm烧结杯中进行，铺底料厚度30mm，点火负压600×9.8Pa，烧结负压1200×9.8Pa，点火时间2min。检测垂直烧结速度、利用系数、固体燃耗、成品率、强度、粒度等性能指标。

4、试验结果

(1)综合评价体系设置

按照均匀设计试验方法，制造了12批烧结矿，结果见下面的表8。

表8高褐粉均匀设计试验结果

本发明采用综合指数法来评价试验的总体结果。在本实施例中，采用国内外普遍使用的综合指数法，综合指数越高，效果越好。综合指数I＝w₁p₁+w₂p₂+…+w_np_n，式中P称为个体指数，w为权值，权值可以根据实际情况确定。对于系统的高优指标(例如转鼓指数)，P＝实测值x/最优(高)值M；对于低优指标(例如固体燃耗)，P＝最优(低)值M/实测值X。在本发明的该实施例中，本试验转鼓指数、利用系数、燃耗的重要性(权值)的比值为40∶30∶30，综合指数I计算结果见表8。

(2)试验参数直观择优

对表8中试验结果指标最优时的参数组合直接选出，结果见表9。

表9试验最佳结果的直观择优参数组合

项目	褐铁矿配比(％)	焦粉配比(％)	水分(％)	料层厚度(mm)	最佳指标结果
						ISO转鼓指数(％)	12.0	5.3	6.30	570	60.67

利用系数(t/m²h)	8.0	5.0	8.30	570	2.09
						固体燃耗(kg/t)	10.0	4.7	7.20	610	70.29
综合评价	10.20	5.03	7.17	582	100.0

对选出的最好因子作加权平均处理，综合评价效果最好(指数100.0)所对应的因子是：褐铁矿配比10.20％，焦粉配比5.03％，水分7.17％，料层厚度582mm。根据本发明，这组参数完全可以在实际生产中实施，每组试验中褐铁矿配比为8％-12％，高于本发明的实际生产中的3％-7％，因此生产中还可加大褐铁矿的用量。

(3)试验结果建模

直观择优在因子考察的水平范围内是很有用的方法，这也是均匀设计的优势所在，但也有可能更好的结果不在试验范围内，利用模型寻优则是另一种寻优方法。对表8的试验结果与因子变量进行多元二次回归，建立模型于下：

1)ISO转鼓指数

Y_i＝965.0377+23.0935X₁-164.49870X₂+6.3545X₃-1.8746X₄+9.8873X₂ ²+0.00109X₄ ²-1.91499X₁×X₂-0.02089X₁×X₄-2.3921X₂×X₃+0.143X₂×X₄

在这里，相关系数R＝1，决定系数R²＝0.99997，F＝435.64＞F_0.05＝241.88＜F_0.01＝6055.93。要指出的是，F为方差，其值越大，模型拟合效果越显著。

2)利用系数

Y₁＝-22.4599-0.4473X₁+3.7430X₃+0.0340X₄+0.00902X₁ ²+0.1983X₂ ²-0.0104X₁×X₃+0.00065X₁×X₄-0.17445X₂×X₃-0.001485X₂×X₄-0.00394X₃×X₄

在这里，相关系数R＝1，决定系数R²＝0.99997，F＝26247.47＞F_0.01＝6055.93＞F_0.05＝241.88。

3)固体燃耗

Y_g＝-250.169721.74017X₂+14.72617X₃+1.0316X₄-2.48062X₃ ²-0.00084X₄ ²+0.9302X₁×X₂+0.1786X₁×X₃-0.01017X₁×X₄+3.9931X₂×X₃

在这里，相关系数R＝1，决定系数R²＝0.99998，F＝11307.74＞F_0.01＝99.39＞F_0.05＝19.38。

以上所有模型值与实际值拟合高度显著。

(4)模型采用均匀设计进一步寻优

在本发明中，还采用了均匀设计法寻优，其方法是将一张均匀设计表对应的因子水平用模型计算强度等指标，找出最佳结果对应的因子组合，这种寻优具有简便快捷的优点。寻优使用的均匀设计表见下面的表10。

表10是一个4因子24水平的均匀表。在全部排列的情况下将有24⁴种组合，在这样多的组合中去寻优是非常不现实的。根据本发明的该实施例，将每个因子从下限到上限等间距分成24个水平，见下面的表11，将各因子水平填入表10中对应的代码，用模型计算强度、利用系数、固体燃耗，每个指标计算24次，将指标最优对应的因子找出来，即完成了寻优过程，寻优结果见表12。

表10寻优用均匀设计表U₂₄(24⁴)(CD＝0.06)

试验号	N1	N2	N3	N4	N5	N6	N7	N8	N9	N10	N11	N12
													x₁	18	19	16	8	3	22	13	15	1	5	9	24
x₂	19	4	12	5	3	22	15	24	18	23	20	14
													x₃	9	22	18	3	13	20	23	14	17	7	21	15
x₄	13	18	20	14	21	7	4	11	15	19	23	16
													试验号	N13	N14	N15	N16	N17	N18	N19	N20	N21	N22	N23	N24
x₁	21	23	11	7	17	10	4	12	6	2	20	14
													x₂	16	6	21	17	2	1	7	8	10	13	11	9
x₃	4	8	2	11	6	16	19	10	24	5	12	1
													x₄	22	10	3	6	5	9	2	24	12	8	1	17

表11均匀设计寻优的因子水平设置表

因子	褐铁矿配比	焦粉配比	水分	料层厚度
					代号	x₁	x₂	x₃	x₄
下限	2	4.7	6.1	530
					上限	12	6.2	8.3	650
水平间距	0.43	0.07	0.10	5.22

表12褐铁矿试验模型均匀设计参数寻优结果

项目

褐铁矿配比(％)

焦粉配比(％)

水分(％)

料层厚度(mm)

模型寻优结果

试验最优结果

ISO转鼓指数(％)	9.0	4.77	6.58	551	67.51	60.67
							利用系数(t/m²h)	3.3	5.09	7.82	535	2.164	2.087
固体燃耗(kg/t)	9.8	4.90	8.11	619	70.93	70.29
							综合评价	7.53	4.91	7.41	567	105.35	100.0

由表12可见，用模型寻优的参数组合优于直观择优，强度与利用系数均高于试验值，固体燃耗约高于试验值，综合评价指数达到105.35，高于试验值的100，说明在试验范围外还有更好的参数组合使指标更好。综合评价最优组合参数为：褐铁矿配比为7.53％，焦粉配比为4.91％，混合料水分为7.41％，料层厚度为567mm。在本发明的实际生产中，高褐粉配比一般不超过7％，直接择优与建模寻优指标最好时褐铁矿配比均在7％以上，因此，在该实施例的实际生产中有必要适当增加褐铁矿用量，并适当提高水分与配。

5、验证性试验

为了验证直观选择与模型寻优参数组合的实际效果，对直观择优与模型寻优的参数进行2次验证性试验，结果与基准期对比进行综合评价，见下面的表13。

表13褐铁矿烧结均匀设计验证性试验结果

由表13可见，验证性试验均取得了满意结果，强度、利用系数、固体燃耗均比12组试验结果的平均值(见表8)先进，且用模型选优参数进行的验证试验结果好于直观选优。以基准期综合评价指数为100计，则各验证性试验结果的综合评价指数均在96以上，最高达97.27，可见使用了褐铁矿后比不使用褐铁矿的满意程度达到96％以上。众所周知，使用褐铁矿后生产技术指标变差，但根据本发明采用均匀设计试验进行参数寻优，合理安排工艺参数，使用褐铁矿后非常接近不使用褐铁矿的效果，并且大大缩短了试验时间，达到了高效高质量的试验效果。

需要指出的是，虽然在这里以褐铁矿为例说明了铁矿石的烧结方法，然而本发明不限于此，对于磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿等铁矿石，同样可以采用与烧结褐铁矿类似的方法来进行烧结，以得到烧结这些铁矿石的最优参数组合。

实施例2

本发明还利用均匀设计对已知模型寻优。具体而言，使用常规方法寻优，这对存在极值的模型还有效，对于很多模型并不存在极值大或极小值，在这种情况下寻优是很困难的。

均匀设计主要用于试验设计，但对于已经知道数学模型的试验、生产过程同样可以利用均匀设计对参数寻优，这种方法称为均匀设计计算机试验。这种寻优不是去安排试验研究因素之间的反应机理，而是用这种方法更加快捷简便地寻找符合条件的参数。例如，本发明人对某钢铁厂通过回归得出的烧结矿强度模型为：

\hat{y} = 0.00183592 x_{1}^{0.547615} x_{2}^{0.119294} x_{3}^{- 0.655207} . . . x_{15}^{3.050482}

表14回归模型各项因子指数

参数名称

模型系数

TFe

FeO

SiO₂

CaO

R0

成份A

MgO

因子代号

a

x₁

x₂

x₃

x₄

x₅

x₆

x₇

因子指数

0.00183592

0.547615

0.119294

-0.655207

-2.167250

0.443994

0.040341

0.039808

参数名称

水分

料层

点火温度

废气温度

机速

负压

垂直烧结速度

SiO₂+CaO

因子代号

x₈

x₉

x₁₀

x₁₁

x₁₂

x₁₃

x₁₄

x₁₅

因子指数

0.112499

0.975607

0.037111

-0.009316

0.819529

0.102226

-0.861550

3.050482

在该烧结强度模型中有15个因子，各因子的指数见表14，该模型用常规方法是求不出极值的。因此，在该实施例中，采用均匀设计表U₁₅(15¹⁵)来寻找符合生产实际的参数组合。在特定的约束范围下，将每因子的上下限取值，从下限到上限等间距地划分为15个水平，约束条件见表15。如果全部排列将有15¹⁵种组合，显然，在这么多的组合中去寻优是不现实的。然而，采用本发明的方法，使用均匀设计表就只有15种组合，见表16。将表中代码对应的各因子的水平数填入即完成了各种参数组合，用回归模型计算每种组合条件下的烧结矿强度，如果强度在71-73％之间，即认为这一参数组合可行，就得到一个方案。用这种方法找出了符合生产实际的2组参数组合(2个方案)，见表17。

表15均匀设计参数寻优因子上下限约束表

参数名称

TFe(％)

FeO(％)

SiO₂(％)

CaO(％)

R0(倍)

成分A(％)

MgO(％)

水分(％)

料层厚度(mm)

点火温度(℃)

废气温度(℃)

机速(m/min)

负压(Pa)

垂直烧结速度m/mm

SiO₂+CaO(％)

变量

x₁

x₂

x₃

x₄

x₅

x₆

x₇

x₈

x₉

x₁₀

x₁₁

x₁₂

x₁₃

x₁₄

x₁₅

水平上限

49.2

7.5

5.2

12

2.31

7.4

2.7

7.2

550

1050

110

2.3

12934

24.3

17.2

水平下限	48.8	7.3	5.1	11.5	2.25	7.2	2.4	6.9	520	980	105	2.1	12245	21	16.6
																水平间距	0.027	0.013	0.007	0.033	0.004	0.013	0.02	0.02	2	4.7	0.3	0.013	46	0.222	0.04

在表15中，R0为碱度，它是CaO/SiO₂的比值。

表1615处理15因素15水平均匀设计表U₁₅(15¹⁵)(CD＝0.9509)

试验号	x₁	x₂	x₃	x₄	x₅	x₆	x₇	x₈	x₉	x₁₀	x₁₁	x₁₂	x₁₃	x₁₄	x₁₅
																N1	2	3	13	2	2	13	6	4	5	10	9	10	9	9	1
N2	9	13	4	4	8	2	13	3	11	12	5	13	2	10	5
																N3	14	9	8	6	14	3	5	1	6	2	15	9	11	5	4
N4	10	7	10	12	4	4	2	2	10	13	7	1	12	13	11
																N5	13	2	12	10	9	8	4	13	9	14	1	8	3	3	3
N6	12	12	11	3	3	9	15	15	15	9	13	7	10	6	10
																N7	8	8	15	7	11	12	3	9	13	5	11	15	4	14	15
N8	7	1	5	15	1	5	14	8	8	1	8	14	7	4	12
																N9	6	6	2	11	13	15	9	5	12	11	14	3	5	2	8
N10	4	5	6	8	15	7	12	14	3	15	10	12	14	12	9
																N11	1	10	1	1	12	6	1	12	7	7	3	5	8	7	13
N12	3	11	9	14	10	10	11	7	14	3	2	6	13	11	2
																N13	5	14	14	13	6	1	8	11	2	6	12	4	1	8	7
N14	11	15	7	9	7	14	7	6	1	8	4	11	15	1	14
																N15	15	4	3	5	5	11	10	10	4	4	6	2	6	15	6

表17使用均匀设计表对参数寻优结果

方案	x₁	x₂	x₃	x₄	x₅	x₆	x₇	x₈	x₉	x₁₀	x₁₁	x₁₂	x₁₃	x₁₄	x₁₅	y
																	1	49.04	7.47	5.13	11.63	2.28	7.23	2.66	6.96	542	1036	107	2.27	12337	23.22	16.8	71.87
2	48.96	7.38	5.11	11.87	2.3	7.4	2.58	7	544	1031	110	2.14	12474	21.44	16.92	72.23

由实施例2可知，利用均匀设计对试验结果对优，不仅简便快捷，而且能够较好地确定出烧结试验或实际生产所需工艺参数的最佳组合。

根据本发明的铁矿石烧结试验方法，还对试验结果寻优而得的参数进行验证性试验，确定均匀设计试验的最终结果。然而，在本发明的实施例中所列举的因子与水平数并不局限于在此公开的范围，其它因子与水平数同样适用于本发明。

Claims

1.一种铁矿石烧结试验方法，包括以下步骤：

确定铁矿石烧结试验的影响因子，确定因子数与水平数，以进行多因子多水平试验；

选择合适的均匀设计试验方法，以确定采用的均匀设计表；

按照确定的均匀设计表进行铁矿石配料、混合、点火、抽风烧结-试验，以得到一系列试验结果；

利用均匀设计表的因子水平所对应的试验结果进行分析，通过初步直观择优、对试验结果建立模型并再次使用均匀设计表计算所述模型，以确定铁矿石烧结的最优参数组合；

对试验结果寻优而得的最优参数组合进行验证性试验，以确定均匀设计试验的最终结果；

其中，所述影响因子为烧结领域特有的物理量，即：铁矿石配比、料层厚度、混合料水分、燃料配比、熔剂配比、碱度、点火温度、烧结负压、烧结终点、垂直烧结速度；

所述直观择优是指直接选取指标结果最优所对应的因子-水平组合而达到试验目的；

所述对试验结果建立模型的步骤是指以试验因子为自变量，试验结果为因变量建立多元模型进行模型寻优。

2.根据权利要求1所述的铁矿石烧结试验方法，其特征在于所述均匀设计试验方法有等水平因子的均匀设计、混合水平因子的均匀设计、配方均匀设计、模型寻优均匀设计。

3.根据权利要求1所述的铁矿石烧结试验方法，其特征在于所述确定的均匀设计表是改造后的均匀设计表，满足中心化偏差达到最小的准则，以度量点集分散的均匀性。

4.根据权利要求1所述的铁矿石烧结试验方法，其特征在于当选择的均匀设计试验方法与确定的因子数和水平数不匹配时，修改因子与水平数。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的铁矿石烧结试验方法，其特征在于所述均匀设计表的因子水平所对应的试验结果是指一种因子-水平组合对应一种试验结果。