CN102054125B - 一种稳定入炉烧结矿化学成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定入炉烧结矿化学成分的方法。该方法的步骤如下：烧结矿供料系统的描述与建模：首先对烧结矿供料系统进行描述，再在烧结矿供料系统的描述与分析基础上，建立烧结矿供料系统的模型；模型优化求解方法：根据约束信息和优化目标，建立优化调度的数学模型，解算出优化调度方案并存入优化调度数据库；烧结矿供料系统实时监控和再调度：根据实际生产工况监控优化调度方案的执行，同时显示对实际工况的评估，进行再调度。本发明用于烧结矿运输过程中的成分配比及实时调度。

Description

一种稳定入炉烧结矿化学成分的方法

技术领域

本发明涉及信息资源的应用技术，特别是涉及一种稳定入炉烧结矿化学成分的方法。

背景技术

钢铁工业是国民经济重要的基础原材料工业，原燃料及辅助材料是钢铁产业实现可持续发展的物质基础和前提保证。烧结矿一直是国内外高炉的主要原料，尤其在我国，烧结矿已占高炉炉料的90％以上。烧结矿的化学成分如碱度、全铁、FeO、MgO、CaO、SiO2、转鼓强度等的稳定性直接影响到烧结矿的质量，进而对整个钢铁企业的生产状况和经济效益有很大影响。符合要求的烧结矿是铁水质量的前提保证，也是提高高炉技术经济指标的基础和提高经济效益的关键。然而在在实际生产过程中，由于烧结过程受到原料、工艺、设备、操作等诸多因素的影响，烧结矿质量波动较大，烧结矿化学成分并不稳定，非常不利于高炉配料。因此长期以来，如何稳定入炉烧结矿化学成分一直是钢铁企业中的一个难点。

近年来稳定入炉烧结矿成分的方法基本局限于烧结生产过程的优化控制，即开发烧结生产过程烧结矿化学成分的预测模型和预测系统，从而优化烧结矿配料比例以稳定烧结矿的化学成分。如松田浩一.Modeling for Control Konwledgein Sintering Process Using Network and Fussy Inefrenee.1992，78(7)：1045～1052.提出用自回归和多元回归模型预测和控制烧结矿化学成分。张舒，高为民.人工神经网络在烧结矿指标预测中的应用.烧结球团：2001.7.Vol.26，No.4应用误差反向传播方式建立烧结矿性能指标预测的神经网络模型，并用实际烧结生产数据对模型进行了训练，用训练后的模型对烧结过程进行分析，以及对烧结矿的FeO含量和转股强度进行预测。郭文军，王福利，李明，等.基于神经网络的烧结矿化学成分超前预报[J].烧结球团.1997，22(5)：8.利用前馈神经网络，建立了烧结矿化学成分超前预报的模型。刘克文，周取定.烧结矿质量预报模型的研究[J].烧结球团，1990，15(1)：1～4.对烧结过程运用神经网络中的BP学习算法设计了分类器，用于在线推断烧结矿的质量。范晓慧，王海东.烧结过程数学模型与人工智能[M].长沙：中南大学出版社，2002.7.针对工业生产过程的复杂性和时变性，提出一种用于工业生产过程模建的自适应监督式分布神经网络(SDNN)，将SDNN网络与传统建模方法相结合，应用于铅锌烧结过程的烧结矿成分预测。然而却没有人提出过在烧结矿供料系统中对不同批次的烧结矿进行配比和调度，使入炉烧结矿化学成分与其工艺设定值偏差最小，从而稳定入炉烧结矿的成分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定入炉烧结矿化学成分的方法，即在烧结矿供料系统中通过对料仓上、下料仓位的控制实现不同批次烧结矿的配比和调度，从而使得入炉烧结矿的化学成分与其工艺设定值偏差最小。

本发明采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

1)烧结矿供料系统的描述与建模：

首先对烧结矿供料系统进行描述，再在烧结矿供料系统的描述与分析基础上，建立烧结矿供料系统的模型；

2)模型优化求解方法：

根据约束信息和优化目标，建立优化调度的数学模型，解算出优化调度方案并存入优化调度数据库；

3)烧结矿供料系统实时监控和再调度：

根据实际生产工况监控优化调度方案的执行，同时显示对实际工况的评估，进行再调度。

所述的对烧结矿供料系统进行描述，即烧结矿从烧结过程完成至进入高炉需要经过烧结料仓、高炉料仓两种料仓转存，且两种料仓均采用串行上料、并行放料方式；所述的建立烧结矿供料系统模型，根据动力学原理，以烧结矿化验成分为输入，以烧结矿成分为输出，建立基于物料平衡的烧结矿供料系统的模型。

所述的模型优化求解方法，即以烧结矿供料系统模型和生产工艺参数允许范围为约束条件，以烧结矿化学成分与工艺设定值之间的偏差尽可能保持最小为优化目标，建立烧结矿供料系统优化调度模型和求解算法，解算出优化调度方案并存入优化调度数据库。

所述的烧结矿供料系统实时监控和再调度，即将调度指令通过数据采集和交换模块传送到生产过程实时数据库，再传送到工厂生产过程控制系统完成调度方案的执行，根据实际生产工况监控调度方案的执行过程，并将执行结果和实际生产工况反馈至生产过程实时数据库，同时显示对实际工况的评估，进行再调度。

本发明具有的有益效果是：

本发明使入炉烧结矿化学成分稳定性进一步提高，铁水质量得到了极大的改善，经济效益显著。

附图说明

图1是烧结矿供料系统。

图2是料仓下料漏斗型料流。

图3是多个料仓同时下料。

图4是烧结矿供料系统优化模型。

图5是料仓模型。

图6是本发明的系统框图。

具体实施方式

本发明顺序包括以下步骤：(1)烧结矿供料系统的描述与建模(2)模型优化求解(3)烧结矿供料系统实时监控与再调度。

具体步骤如下：

一、烧结矿供料系统的描述与建模

如图1所示，烧结矿由烧结车间生产出来(每2h化验一次成分，认定为一批料)，经皮带运输到烧结料仓中转存，再经皮带机网络运输到高炉料仓中转存，最后根据高炉生产对烧结矿的实际需求，烧结矿由高炉料仓下料经皮带运送到高炉上料处。烧结料仓和高炉料仓均是由多个料仓组成。即烧结矿从烧结过程完成至进入高炉需要经过烧结料仓、高炉料仓两种料仓转存，且两种料仓均采用串行上料、并行放料方式。

在该供料系统中成分信息之所以丢失，是因为料仓下料使得烧结矿经过了两次混合，混合后的成分未知。具体如下：

(1)料仓下料时，烧结矿料流呈漏斗状，而非水平状：同一个料仓中不同批烧结矿之间的混合。如图2所示。

(2)为满足皮带运输的最大负载量，通常由多个料仓同时下料(根据各钢铁厂皮带负载量和料仓下料流速决定，一般是3个)：不同料仓之间烧结矿的混合。如图3所示。

经过分析可知，建立烧结矿供料系统模型，如图4所示，也就是建立单个料仓烧结矿料流模型，如图5所示，从而得出单个料仓下料得到的烧结矿混合成分。在此基础上多个料仓同时下料所得到的烧结矿混合成分即可知晓。在已知单个料仓下料所得烧结矿化学成分的基础上，对多个料仓下料进行配比优化，从而使得入炉烧结矿的成分进一步稳定。

设跟踪系统S的连续模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=f(x\left(t\right),u\left(t\right),z\left(t\right),v\left(t\right))\\ y\left(t\right)=g\left(x\left(t\right)\right)\\ z\left(t\right)=h\left(t\right)\end{array}\right.$

其中，x为系统S的状态变量，u为子系统S的控制变量，z为系统S的输入量，f为系统S满足的动态等式约束，y为子系统S的关联输出。

1、基本假设

(1)料仓分为n层料层，位置固定。每一料层内部物料特定成分的含量(即单位体积物料中该特定成分的体积或重量百分比)相同。

(2)V_i和x_i分别为第i料层的体积和成分含量，z为上料成分的含量，y为下料成分含量，Q为总的进料流量，t表示时间。u¹表示是否对料仓进行上料操作。若u¹＝1，则上料；若u¹＝0，则不上料。u²表示是否对料仓进行下料操作。若u²＝1，则下料；若u²＝0，则不下料。

(3)连续生产过程，Q为常数，且等于总的出料流量。

2、动力学原理

根据物料平衡关系：某一料层成分含量随时间的变化率＝流入该料层的成分流量-流出该料层的成分流量，有：

(1)若u¹＝1，u²＝1，则有：

$V_1\frac{d{x}_1}{\mathrm{dt}}=u^1\mathrm{Qz}-Q{x}_1$

$V_i\frac{d{x}_i}{\mathrm{dt}}=Q{x}_{i-1}-Q{x}_i,i=\mathrm{2,3},...n$

y＝x_n

(2)若u¹＝1，u²＝0，则有：

$V_1\frac{d{x}_1}{\mathrm{dt}}=u^{1}r$

$V_i\frac{d{x}_i}{\mathrm{dt}}=0,i=\mathrm{2,3},...n$

y＝0

(3)若u¹＝0，u²＝1，则有：

$V_1\frac{d{x}_1}{\mathrm{dt}}=-Q{x}_1$

$V_i\frac{d{x}_i}{\mathrm{dt}}=Q{x}_{i-1}-Q{x}_i,i=\mathrm{2,3},...n$

y＝x_n

3、数学模型

令X＝[x₁，x₂，…，x_n]^T

$A=\left[\begin{array}{ccccc}-\frac{Q}{V_1}{u}^1& 0& \·\·\·& 0& 0\\ \frac{Q}{V_2}& -\frac{Q}{V_2}& \·\·\·& 0& 0\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ 0& 0& \·\·\·& \frac{Q}{V_n}& -\frac{Q}{V_n}\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{Qr}}{V_1}\\ 0\\ \·\\ \·\\ \·\\ 0\end{array}\right],$ C＝[0 0 … 0 1].

则可得以下状态空间模型：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{X}=A\left(u^1\right)u^{2}X+B{u}^1\\ y=\mathrm{CX}{u}^2\end{array}\right.$

从而得到整个烧结料仓的料流成分模型，若有m个烧结料仓，则

C＝[0 0 … 0 1]

二、模型优化求解：

本发明要解决的问题：对烧结矿供料系统信息进行集成，通过对烧结各料仓上下料料流的控制，使得入炉烧结矿化学成分稳定且最接近工艺设定值。

1、决策变量

：0-1变量，表示第i个料仓是否上料；(i＝1，2，3，...m)

若u_i ¹＝1，则上料；若u_i ¹＝1，则不上料。

：0-1变量，表示第i个料仓是否下料；(i＝1，2，3，...m)

若u_i ²＝1，则下料；若u_i ²＝1，则不下料。

2、约束条件

(1)由于工艺原因，同一时刻只可能有一个料仓上料，所以有：

(2)为满足皮带运输的最大负载量，通常由多个料仓同时下料(根据各钢铁厂皮带负载量和料仓下料流速决定，一般是3个)，所以有：

3、目标函数

本批料下料的烧结矿平均品质比设定成分相差最小

$\min {(\frac{1}{3T}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_0^T{y}_i\left(t\right)\mathrm{dt}-P_0)}^2$

$\mathrm{st}.\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_i=A\left(u_i^1\right)u_i^2{X}_i+B{u}_i^1\\ y_i\left(t\right)=C{X}_i\left(t\right)u_i^2\end{array}\right.$

离散化，近似计算积分，转化为一般的非线性0-1规划问题。在Matlab中用BNB20求解得到最优调度方案。并存入优化调度数据库。

三、烧结矿供料系统实时监控与再调度：

烧结矿供料系统实时监控将调度指令通过数据采集和交换模块传送到生产过程实时数据库，再传送到工厂生产过程控制系统完成调度方案的执行，根据实际生产工况监控调度方案的执行过程，并将执行结果和实际生产工况(包括烧结成仓中卸料车的停靠位置、烧结矿的化学成分、各料仓的下料状态和各成仓中的总重等信息)反馈至生产过程实时数据库。在实际的生产过程调度中，可能发生意想不到的情况，比如设备故障等使得原来求得的优化调度计划不再适用，本发明利用动态再调度方法重新求得优化后的生产调度方案，使得料仓上、下料仓位随着情况改变而调整。

将本发明以杭州钢铁集团炼铁厂原料调度车间为例结合附图进行实例说明。图6描述了烧结矿供料系统调度方法各步骤实现的具体模块。首先对烧结矿供料系统的工艺流程进行分析，根据动力学原理建立其模型。然后根据烧结矿供料系统模型和同一时刻料仓上、下料仓位等约束信息，以入炉烧结矿化学成分与其工艺设定值偏差最小为优化目标，建立烧结矿供料系统调度优化模型和求解算法，解算出优化调度方案。将求解出的调度指令通过数据采集和交换模块传送到生产过程实时数据库，再传送到工厂生产过程控制系统(PLC)完成调度方案的执行，并将执行结果和实际生产工况(包括烧结成仓中卸料车的停靠位置、烧结矿的化学成分、各料仓的下料状态和各成仓中的总重等信息)反馈至生产过程实时数据库。在实际的生产过程调度中发生的设备故障等问题使得原来求得的优化调度计划不再适用，利用动态再调度方法重新求得优化后的调度方案，使得料仓上、下料仓位随着情况改变而调整。

Claims (1)

1.一种稳定入炉烧结矿化学成分的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)烧结矿供料系统的描述与建模：

首先对烧结矿供料系统进行描述，再在烧结矿供料系统的描述与分析基础上，建立烧结矿供料系统的模型；

所述的对烧结矿供料系统进行描述，即烧结矿从烧结过程完成至进入高炉需要经过烧结料仓、高炉料仓两种料仓转存，且两种料仓均采用串行上料、并行放料方式；所述的建立烧结矿供料系统模型，根据动力学原理，以烧结矿化验成分为输入，以烧结矿成分为输出，建立基于物料平衡的烧结矿供料系统模型；

2)模型优化求解方法：

根据约束信息和优化目标，建立优化调度的数学模型，解算出优化调度方案并存入优化调度数据库；

所述的模型优化求解方法，即以烧结矿供料系统模型和生产工艺参数允许范围为约束条件，以烧结矿化学成分与工艺设定值之间的偏差尽可能保持最小为优化目标，建立烧结矿供料系统优化调度模型和求解算法，解算出优化调度方案并存入优化调度数据库；

3)烧结矿供料系统实时监控和再调度：

根据实际生产工况监控优化调度方案的执行，同时显示对实际工况的评估，进行再调度；

所述的烧结矿供料系统实时监控和再调度，即将调度指令通过数据采集和交换模块传送到生产过程实时数据库，再传送到工厂生产过程控制系统完成调度方案的执行，根据实际生产工况监控调度方案的执行过程，并将执行结果和实际生产工况反馈至生产过程实时数据库，同时显示对实际工况的评估，进行再调度。

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