CN110516402B - 一种优化电弧炉废钢配料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种优化电弧炉废钢配料的方法，其过程如下：依据成品目标成分、废钢堆密度、废钢元素氧化率、合金元素收得率和废钢堆密度要求，构建成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数，根据所述的方程构建线性规划数学模型，由所述线性规划数学模型计算得到废钢和合金的加入量。采用本发明优化后的电炉配料计算方法，可对复杂的原料结构有很好的适用性，同时有利于保持工艺冶炼的稳定性，并有效降低电炉冶炼成本。

Description

一种优化电弧炉废钢配料的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种优化电弧炉废钢配料的方法。

背景技术

废钢是电弧炉炼钢的重要原料，是炼钢总成本的最主要组成部分。在实际情况下，作为原料的废钢种类较多，成分和密度波动很大，而且价格差距也较大。目前国内废钢铁供应量仍不能有效满足钢铁市场的需求，废钢铁价格一直处于高位状态，因此，对废钢进行科学的配料是实现电炉炼钢降低吨钢成本的重要环节。传统配料方式是人工手动计算，依赖配料人员的经验，计算时间长、配料精度低。

随着科技发展，现代化管理模式的推进，结合网络技术的应用，可以使配料计算通过网络远程控制，与其他自动配料设备结合形成全方位自动化管理。在电弧炉废钢配料中，根据冶炼钢种的技术要求和冶炼过程工艺要求，合理搭配各种废钢原料，在满足冶炼结束后钢液的成分要求和操作工艺的前提下，尽可能降低炼钢原料成本，因此，根据炼钢工艺指标的要求，对废钢配料进行优化建模，在满足工艺指标的前提下，可有效节约炼钢成本，提高生产效率，其价值尤其体现在特殊钢、高合金钢以及对残余元素含量有较高要求的钢种的废钢配料中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中采用人工计算方法，工作量大且运算精度低，经验依赖性强，不利于提高生产率，成本质量兼顾难的问题。

为此，本发明提供了一种优化电弧炉废钢配料的方法，其过程如下：依据成品目标成分、废钢堆密度、废钢元素氧化率、合金元素收得率和废钢堆密度要求，构建成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数，根据所述的方程构建线性规划数学模型，由所述线性规划数学模型计算得到废钢和合金的加入量。

具体的，所述成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数建立过程如下：

1)所述成品目标成分约束方程

式中，q为溶清后钢水的质量；

废钢为m种，加入量分别为x₁，x₂，x₃，……，x_m；

合金为n种，加入量分别为y₁，y₂，x₃，……，y_n；

t为约束目标化学成分种类；

a_ij为第j种废钢中第i种化学成分的百分含量，(i＝1,2...t,j＝1,2...m)；

h_ij为第j种废钢中第i种化学成分冶炼过程中元素收得率，(i＝1,2...t,j＝1,2...m)；

b_ij为第j种合金中第i种化学成分的百分含量，(i＝1,2..t,j＝1,2...n)；

k_ij为第j种合金第i种化学成分加入过程中元素收得率，(i＝1,2..t,j＝1,2...n)；

g_t为目标钢种的化学成分中间值；

e_t大小为目标钢种的化学成分要求范围内的最大值与中间值的差值；

2)所述废钢目标堆密度约束方程

式中，w为装炉总质量；

ρ_m为各废钢的堆密度；

ρ为总废钢的堆密度要求范围内的中间值；

f大小为目标废钢堆密度要求范围内的最大值与中间值的差值；

3)所述废钢和合金质量约束方程

x₁+x₂+…+x_m＝w＞q

x₁：x₂，x₃…x_m≥0

y₁：y₂：y₃…y_m≥0；

4)所述优化配料目标函数

目标函数：minf(x)＝CX+DY；

约束条件：q(G-E)≤AHX+BKY≤q(G+E)；

w/(ρ+f)≤PX≤w/(ρ-f)；

IX＝w；

X≥0；

Y≥0；

式中，X为废钢装入量矩阵，X＝[x₁ x₂ … x_m]^T；

Y为合金加入量矩阵，Y＝[y₁ y₂ … y_m]^T；

G为目标钢种的化学成分矩阵，G＝[g₁ g₂ … g_t]^T；

C为废钢价格矩阵，C＝[c₁ c₂ … c_m]，m种废钢单价分别为c₁，c₂，c₃，…c_m；

D为合金价格矩阵，D＝[d₁ d₂ … d_m]；

E为松弛矩阵，E＝[e₁ e₂ … e_t]^T；

A为废钢化学成分矩阵，

/>

B为合金化学成分矩阵，

H为废钢中目标化学元素收得率矩阵，

K为合金中目标化学元素收得率矩阵，

P为废钢堆密度矩阵，

I为元素均为1的行距阵，I＝[1 1 … 1]_m。

进一步的，所述优化配料目标函数建立过程中的约束条件还包括废钢和合金加入量的上下限要求。

进一步的，所述优化配料目标函数最小值采用最优化理论中的单纯形法进行计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种优化电弧炉废钢配料的方法通过建立成品目标成分和废钢目标堆密度的约束方程，并在约束方程中引入了变量，扩大计算范围，有利于得到最佳的配料结果；同时在优化配料模型中加入了废钢堆密度要求的约束方程，以及考虑了废钢原料和合金原料的配料方法和成本，不仅满足生产过程中废钢的布置要求，而且冶炼成本计算结构可靠性强，针对复杂的原料结构有很好的适用性。

(2)本发明提供的这种优化电弧炉废钢配料的方法根据建立的约束方程及优化配料目标函数构建线性规划数学模型，并由线性规划数学模型计算得到废钢和合金的加入量，可实现快速计算机运算，计算结果精确，提高了生产效率，克服了传统采用人工计算方法，工作量大且运算精度低，经验依赖性强的问题。

(3)本发明提供的这种优化电弧炉废钢配料的方法克服了传统成分和密度波动大，以及配料依赖经验，造成产品质量波动大的问题，本发明有利于保持工艺冶炼的稳定性，并有效降低电炉冶炼成本，可操作性强，易于推广普及。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种优化电弧炉废钢配料的方法，其过程如下：

依据成品目标成分、废钢堆密度、废钢元素氧化率、合金元素收得率和废钢堆密度要求，构建成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数，根据所述的方程构建线性规划数学模型，由所述线性规划数学模型计算得到废钢和合金的加入量。

所述成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数建立过程如下：

1)所述成品目标成分约束方程

式中，q为溶清后钢水的质量；

废钢为m种，加入量分别为x₁，x₂，x₃，……，x_m；

合金为n种，加入量分别为y₁，y₂，x₃，……，y_n；

t为约束目标化学成分种类；

a_ij为第j种废钢中第i种化学成分的百分含量，(i＝1，2…t，j＝1，2…m)；

h_ij为第j种废钢中第i种化学成分冶炼过程中元素收得率，(i＝1，2…t，j＝1，2…m)；

b_ij为第j种合金中第i种化学成分的百分含量，(i＝1，2..t，j＝1，2…n)；

k_ij为第j种合金第i种化学成分加入过程中元素收得率，(i＝1，2..t，j＝1，2...n)；

g_t为目标钢种的化学成分中间值；

e_t大小为目标钢种的化学成分要求范围内的最大值与中间值的差值；

2)所述废钢目标堆密度约束方程

式中，w为装炉总质量；

ρ_m为各废钢的堆密度；

ρ为总废钢的堆密度要求范围内的中间值；

f大小为目标废钢堆密度要求范围内的最大值与中间值的差值；

3)所述废钢和合金质量约束方程

x₁+x₂+…+x_m＝w＞q

x₁：x₂，x₃…x_m≥0

y₁：y₂：y₃…y_m≥0；

4)所述优化配料目标函数

目标函数：minf(x)＝CX+DY；

约束条件：q(G-E)≤AHX+BKY≤q(G+E)；

w/(ρ+f)≤PX≤w/(ρ-f)；

IX＝w；

X≥0；

Y≥0；

式中，X为废钢装入量矩阵，X＝[x₁ x₂… x_m]^T；

Y为合金加入量矩阵，Y＝[y₁ y₂ … y_m]^T；

G为目标钢种的化学成分矩阵，G＝[g₁ g₂ … g_t]^T；

C为废钢价格矩阵，C＝[c₁ c₂ … c_m]，m种废钢单价分别为c₁,c₂,c₃,...c_m；

D为合金价格矩阵，D＝[d₁ d₂ … d_m]；

E为松弛矩阵，E＝[e₁ e₂ … e_t]^T；

A为废钢化学成分矩阵，

B为合金化学成分矩阵，

H为废钢中目标化学元素收得率矩阵，

K为合金中目标化学元素收得率矩阵，

P为废钢堆密度矩阵，

I为元素均为1的行距阵，I＝[1 1 … 1]_m。

上述优化配料目标函数建立过程中的约束条件还包括废钢和合金加入量的上下限要求。

上述优化配料目标函数最小值采用最优化理论中的单纯形法进行计算。

下面以具体实施例说明本发明的具体实施方法。

实施例1：

以某钢厂70t电炉，生产Q235钢为例，分别采用传统方法和本发明优化的方法进行配料，采用本发明优化配料模型计算前先确定废钢和合金料的成分和价格，同时确定废钢堆密度要求值及其约束范围和目标钢种的目标成分及约束范围，通过上述约束方程和目标函数，利用单纯形法求出目标函数最小值时各种类废钢和合金的加入量，其结果如表1所示。

表1优化配料方案及成本分析

由表1可知，当采用本发明优化配料模型进行配料时，1吨钢冶炼成本可降低46元，显著降低电炉炼钢的成本。

实施例2：

以某钢厂80t电炉，生产Q345B为例，分别采用传统方法和优化的方法进行配料，采用本发明优化配料模型计算前先确定废钢和合金料的成分和价格，同时确定废钢堆密度要求值及其约束范围和目标钢种的目标成分及约束范围，通过上述约束方程和目标函数，利用单纯形法求出目标函数最小值时各种类废钢和合金的加入量，其结果如表2所示。

表2优化配料方案及成本分析

由表2可知，当采用本发明优化配料模型进行配料时，1吨钢冶炼成本可降低23元。

综上所述，本发明提供的这种优化电弧炉废钢配料的方法通过建立成品目标成分和废钢目标堆密度的约束方程，并在约束方程中引入了变量，扩大计算范围，有利于得到最佳的配料结果；同时在优化配料模型中加入了废钢堆密度要求的约束方程，以及考虑了废钢原料和合金原料的配料方法和成本，不仅满足生产过程中废钢的布置要求，而且冶炼成本计算结构可靠性强，针对复杂的原料结构有很好的适用性。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种优化电弧炉废钢配料的方法，其特征在于，其过程如下：

依据成品目标成分、废钢堆密度、废钢元素氧化率、合金元素收得率和废钢堆密度要求，构建成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数，根据所述的方程构建线性规划数学模型，由所述线性规划数学模型计算得到废钢和合金的加入量；

所述成品目标成分约束方程、废钢目标堆密度约束方程、废钢和合金质量约束方程及优化配料目标函数建立过程如下：

1)所述成品目标成分约束方程

式中，q为溶清后钢水的质量；

废钢为m种，加入量分别为x₁，x₂，x₃，……，x_m；

合金为n种，加入量分别为y₁，y₂，x₃，……，y_n；

t为约束目标化学成分种类；

a_ij为第j种废钢中第i种化学成分的百分含量，i＝1,2...t,j＝1,2...m；

h_ij为第j种废钢中第i种化学成分冶炼过程中元素收得率，i＝1,2...t,j＝1,2...m；

b_ij为第j种合金中第i种化学成分的百分含量，i＝1,2..t,j＝1,2...n；

k_ij为第j种合金第i种化学成分加入过程中元素收得率，i＝1,2..t,j＝1,2...n；

gt为目标钢种的化学成分中间值；

e_t大小为目标钢种的化学成分要求范围内的最大值与中间值的差值；

2)所述废钢目标堆密度约束方程

式中，w为装炉总质量；

ρ_m为各废钢的堆密度；

ρ为总废钢的堆密度要求范围内的中间值；

f大小为目标废钢堆密度要求范围内的最大值与中间值的差值；

3)所述废钢和合金质量约束方程

x₁+x₂+…+x_m＝w＞q

x₁，x₂，x₃…x_m≥0

y₁，y₂，y₃…y_m≥0；

4)所述优化配料目标函数

目标函数：minf(x)＝CX+DY；

约束条件：q(G-E)≤AHX+BKY≤q(G+E)；

w/(ρ+f)≤PX≤w/(ρ-f)；

IX＝w；

X≥0；

Y≥0；

式中，X为废钢装入量矩阵，X＝[x₁ x₂ … x_m]^T；

Y为合金加入量矩阵，Y＝[y₁ y₂ … y_m]^T；

G为目标钢种的化学成分矩阵，G＝[g₁ g₂ … g_t]^T；

C为废钢价格矩阵，C＝[c₁ c₂ … c_m]，m种废钢单价分别为c₁,c₂,c₃,...c_m；

D为合金价格矩阵，D＝[d₁ d₂ … d_m]；

E为松弛矩阵，E＝[e₁ e₂ … e_t]^T；

A为废钢化学成分矩阵，

B为合金化学成分矩阵，

H为废钢中目标化学元素收得率矩阵，

K为合金中目标化学元素收得率矩阵，

P为废钢堆密度矩阵，

I为元素均为1的行距阵，I＝[1 1 … 1]_m。

2.如权利要求1所述的一种优化电弧炉废钢配料的方法，其特征在于，所述优化配料目标函数建立过程中的约束条件还包括废钢和合金加入量的上下限要求。

3.如权利要求1所述的一种优化电弧炉废钢配料的方法，其特征在于，所述优化配料目标函数最小值采用最优化理论中的单纯形法进行计算。