CN115261546A - 转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法、系统、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢铁生产经营管理的工序优化及决策控制技术领域，特别涉及转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法、系统、设备和介质。方法包括：第一步，获取转炉炼钢工艺条件；第二步，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；第三步，设定废钢比；第四步，计算输入和输出的物质和能量的量，并根据该计算结果，计算产出单位钢水的材料成本；第五步，根据输入和输出的物质和能量的量和产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；第六步，在预定的范围区间内调整废钢比，重复上述步骤四和五以确定收益变化为最高正值的废钢比。突破了常规经验方法确定废钢比改变对转炉工艺影响的局限，可以针对工艺条件变化组合灵活地进行系统性的计算分析。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁生产经营管理的工序优化及决策控制技术领域，特别涉及转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法、系统、设备和介质。
背景技术
转炉炼钢目标可以概括为“脱碳”、“脱磷”和“升温”，以达到钢水的碳、磷含量及钢水温度的目标范围。转炉主要采用高炉生产的液态铁水进行冶炼，通过配备的顶吹氧枪，利用超音速氧气射流吹入铁水，进行吹炼。铁水中的碳元素被氧化生成CO随转炉烟气带走。转炉烟气中主要成分为CO，可作为燃料继续使用。依据烟气中CO含量情况及煤气回收标准，在转炉吹炼过程进行阶段性的煤气回收，若CO含量没有达标则通过燃烧并进行处理后排放。铁水中硅元素在转炉吹炼的前期就基本完全氧化，生成的SiO2与加入石灰中的CaO构成转炉炉渣的主要成分。转炉炼钢按照CaO与SiO2含量的比值，即所谓碱度，进行石灰配加。转炉炉渣重量从工艺角度而言有着合理的范围，通过工艺条件的改变及操作变化可以按照需求进行转炉渣总量调节控制，以达到预期的冶炼效果。转炉吹炼过程铁元素的氧化不可避免，就工艺而言，铁元素氧化也是必要的内容环节。铁元素氧化生成氧化铁进入炉渣，与CaO、SiO2一起基本构成了炉渣主体。按照工艺标准规范，渣中铁元素含量有着合理的范围，通过操作变化来调节控制渣中氧化铁含量的变化，进而满足不同工艺条件及工艺目标，同时满足过程控制的需求。铁水中磷元素大部分被氧化，锰元素则部分氧化进入炉渣，没有氧化的部分则保留于最终钢水中。碳、硅及铁元素的氧化反应为转炉吹炼提供了绝大部分的热量，这些热量满足了转炉吹炼过程铁水升温、石灰等原料的升温、熔化以及转炉炼钢过程的热量损失消耗。对于完全采用铁水进行转炉炼钢的条件，化学反应热量通常存在富余。通过配加废钢和矿石，一方面可以调节热量富余，同时可以增大转炉钢水产出量。矿石与废钢的不同在于，矿石价格相对便宜，同时矿石中含有氧，这部分氧可以替代部分吹入的氧气。但是矿石加入量受到工艺严格限制，加入过多会带来不稳定因素，造成冶炼控制困难及质量问题。比之矿石，废钢加入限制主要来自于热量的富余程度。为了增加废钢使用比例，出现了热量不够情况，此时，需要通过添加发热剂，利用发热剂的氧化反应来弥补热量的不足。发热剂的大量使用会带来转炉冶炼成本的明显增大，这一方面要归于发热剂本身的投入成本，更为显著的是因工艺变化带来的铁水收得率降低。此外，关键的一点是，受制于转炉工艺本身特性，废钢加入量也将受到限制。过多废钢会导致废钢难以完全熔化，过程稳定性降低，冶炼控制困难以及冶炼质量的下降。如上所述，转炉操作控制与成本密切关联，为了达到增效的目标，需要有针对性的改变和调节转炉工艺。国内专利“一种提高转炉铁水比降低冶炼成本的方法”(201510122207.0)发明了一种增大铁水比降低冶炼成本的方法。当铁水价格较废钢价格便宜时，减少废钢使用，利用石灰石及白云石等替代石灰及轻烧白云石以调节转炉热量富余。国内专利“一种提高吨钢废钢比的转炉炼钢方法”(201711467571.6)发明了提高废钢使用比例的工艺方法。主要通过采用感应炉熔化废钢成钢水，再配加一定废钢，实现废钢使用比例的升高。国内专利“一种半钢冶炼提高转炉废钢比的方法以及炼钢方法”(201810727726.3)发明了一种方法，通过加入硅铁及采用半钢的方法提高废钢的使用量。国内专利“一种转炉高废钢比冶炼工艺”(201810853321.4)通过提高铁水温度，优化吹氧操作控制，实现目标废钢比的方法。国内专利“一种提高转炉废钢比的单流道二次燃烧氧枪及其使用方法”(201811184284.9)发明了改变氧枪设计，利用二次燃烧，提升转炉废钢比的方法。如上专利所述，为了实现其废钢比变化，以达到节约成本的目标，需要从工艺、设备调整变化着手。废钢比有增大的需求也会有减小的情况，其根本原因是材料价格变化以及工艺本身限制条件所决定的。为了适应现有装备工艺条件以及材料价格波动，需要构建勾连工艺、成本及盈利分析的系统计算及优化方法，以达到最佳盈利的废钢比，目前尚未见有关专利的报道。
发明内容
目前转炉控制关注的核心是冶炼质量问题，以及特定工艺条件下工艺目标的实现。而对于成本核算而言，通常不会深入工艺原理。现今市场竞争日益激烈，环保压力日趋严峻，转炉冶炼的原材料价格始终处于动态变化，为了实现效益提升，需要根据变化调整工艺以实现最大的收益。这里涉及的一个根本问题是，质量和成本的综合考虑和实现途径。本发明的目的在于提供转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法、系统、设备和介质。解决上述技术问题。
本发明的实施方式公开了一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法，包括：
第一步，获取转炉炼钢工艺条件；
第二步，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；
第三步，设定废钢比；
第四步，计算输入和输出的物质和能量的量，并根据输入和输出的物质和能量的量，计算产出单位钢水的材料成本；
第五步，根据输入和输出的物质和能量的量和产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；
第六步，在预定的范围区间内调整废钢比，重复上述步骤四和五以确定收益变化为最高正值的废钢比。
可选地，收益变化按照以下公式计算：
可选地，产出单位钢水的材料成本Cmet按照以下公式计算：
可选地，钢水的产量为金属物料的加入量减去金属物料中的氧化元素的氧化量。
可选地，氧化元素包括碳、硅、锰、磷、铁。
可选地，除钢水以外的产出物包括炉渣和烟气；其中，
炉渣包括金属物料中成渣氧化元素氧化形成的氧化物和副物料中的氧化物，成渣氧化元素氧化形成的氧化物的量根据成渣氧化元素的氧化量和相应的氧化化学式计算；
烟气包括金属物料中成烟碳元素氧化形成的一氧化碳和从副物料中分解生成的二氧化碳，一氧化碳的量根据金属物料中成烟碳元素的氧化量计算。
可选地，成渣氧化元素为金属物料中氧化后形成炉渣的元素，包括硅、锰、磷、铁，成烟碳元素为金属物料中氧化后形成一氧化碳的碳元素。
可选地，除了铁以外的氧化元素的氧化量为金属物料中氧化元素的含量减去产出的钢水中氧化元素的含量。
可选地，副物料包括石灰，石灰的加入量根据炉渣的碱度要求、金属物料的加入量和金属物料中硅元素含量来计算，其他副物料的加入量根据工艺标准中它们与金属物料的比例来计算。
可选地，还包括，根据输入和输出的能量之间的差值，确定矿石和发热剂的加入量，并根据矿石和发热剂的加入量对副物料j的加入量wj和除钢水以外的产出物k的量wk进行修正。
可选地，废钢比为加入的废钢在加入的金属物料中的占比，预定的范围区间包括：[0,β0]，β0为工艺所限制的废钢比的上限；
参比条件为：废钢比设定为预定参比值。
可选地，获取转炉炼钢工艺条件包括：获取铁水成分、入炉铁水温度、废钢成分及温度、辅助材料成分。
可选地，设定转炉炼钢工艺规范约束条件包括：按变量设定铁水比；
按固定值设定炉渣全铁含量、炉渣碱度、渣量约束、转炉停吹温度、出钢成分。
可选地，输入和输出的物质和能量包括：
输入的物质包括金属物料、氧气、副物料、冷却剂和发热剂，其中，金属物料包括铁水、废钢、生铁，副物料包括石灰、白云石、消耗的耐材；
输出的物质包括钢水、炉渣、烟气以及炉尘；
输入的能量包括铁水物理热、废钢物理热、元素氧化热；
输出的能量包括钢水物理热、炉渣物理热、烟气物理热、综合热损耗。
本发明的实施方式公开了一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定系统，包括条件确定模块、废钢比设定模块、计算模块和寻优模块；
条件确定模块获取转炉炼钢工艺条件，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；
废钢比设定模块设定废钢比；
计算模块计算输入和输出的物质和能量的量，并根据输入和输出的物质和能量的量，计算产出单位钢水的材料成本，根据输入和输出的物质和能量的量和产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；
寻优模块在预定的范围区间内调整废钢比，重复上述计算模块的操作确定收益变化为最高正值的废钢比。
本发明的实施方式公开了一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定设备，设备包括存储有计算机可执行指令的存储器和处理器，当指令被处理器执行时，使得设备实施转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法。
本发明的实施方式公开了一种计算机存储介质，在计算机存储介质上存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
本发明提出了综合成本核算和工艺计算分析实现转炉废钢比优化及效益提升的优化决策方法。通过构建能够针对工艺变化的转炉输入、输出及其变化量有效的预测，并关联构建成本及效益核算模型，实现成本效益与工艺的综合计算分析，并用于工艺参数的优化决策。
本发明突破了常规经验方法确定废钢比改变对转炉工艺影响的局限性，可以针对工艺条件变化组合灵活地进行系统性的计算分析。通过工艺计算与成本及效益计算模型的结合，实现满足工艺规范及材料价格变动条件进行工艺优化进而实现效益提升的目标。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法的流程图。
图2示出废钢比参数寻优原理图。
图3示出根据本发明的实施例的一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定系统的框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本申请做进一步说明。可以理解的是，此处描述的具体实施例仅仅是为了解释本申请，而非对本申请的限定。此外，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部的结构或过程。应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项。
应当理解的是，虽然在本文中可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个特征，但是这些特征不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了进行区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一特征可以被称为第二特征，并且类似地第二特征可以被称为第一特征。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。
本申请的说明性实施例包括但不限于转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法、系统、设备和介质。
将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实施例的各个方面，以将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员。然而，对于本领域技术人员来说，使用部分所描述的特征来施行一些替代性实施例是显而易见的。出于解释的目的，阐述了具体的数字和配置，以便对说明性实施例进行更加透彻的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实施替代实施例。在一些其他情况下，本文省略或简化了一些众所周知的特征，以避免使本申请的说明性实施例模糊不清。
此外，各种操作将以最有助于理解说明性实施例的方式被描述为多个彼此分离的操作；然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必须依赖描述的顺序，其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序也可以被重新安排。当所描述的操作完成时，所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等的引用表示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或性质，但是每个实施例也可能或不是必需包括特定的特征、结构或性质。而且，这些短语不一定是针对同一实施例。此外，当结合具体实施例描述特定特征，本领域技术人员的知识能够影响到这些特征与其他实施例的结合，无论这些实施例是否被明确描述。
除非上下文另有规定，否则术语“包含”、“具有”和“包括”是同义词。短语“A和/或B”表示“(A)、(B)或(A和B)”。
如本文所使用的，术语“模块”可以指代，作为其中的一部分，或者包括：用于运行一个或多个软件或固件程序的存储器(共享、专用或组)、专用集成电路(ASIC)、电子电路和/或处理器(共享、专用或组)、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适组件。
在附图中，可能以特定布置和/或顺序示出了一些结构或方法特征。然而，应当理解的是，这样的特定布置和/或排序不是必需的。而是，在一些实施例中，这些特征可以以不同于说明性附图中所示的方式和/或顺序来进行说明。另外，特定附图中所包含得结构或方法特征并不意味着所有实施例都需要包含这样的特征，在一些实施例中，可以不包含这些特征或者可以与将这些特征与其他特征进行组合。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
1.技术方案
1.1选择确定关键工艺条件参数
关键工艺条件参数表征了转炉炼钢的起始状态。为了对转炉过程进行有效计算，所选择的工艺条件参数应是必要和相对充分的。相对充分是指需要忽略一些次要因素，以及在统计意义上为0影响的因素包括难以定量测量的及随机的因素。忽略次要因素是为了简化模型构建。忽略在统计意义上为0影响的因素，是由本模型的计算特性所决定的。本计算模型从一般意义上考虑设备能力及相应的设计优化。
基于上述原则，从“脱碳”、“脱磷”和“升温”的转炉炼钢工艺控制目标出发，选择确定了转炉炼钢的关键工艺条件参数，包括：铁水成分、入炉铁水温度、废钢成分及温度、辅助材料(副原料)种类及其成分。铁水成分考虑元素碳、硅、锰、磷、硫含量。废钢成分与铁水成分考虑的元素一致。考虑废钢温度是为了满足转炉采用废钢预热工艺的需求。辅助材料包括：石灰、轻烧白云石、生白云石、矿石、发热剂。辅助材料成分考虑CaO、SiO2、MgO、Al2O3、CaS、P2O5、Fe2O3、CO2含量。发热剂成分考虑另需考虑碳、硅、铁元素成分含量。
1.2明确基本工艺规范约束
工艺规范约束是指由过程特性及操作控制水平所决定的许可的操作变化空间。从满足计算分析的需求出发，选择基本工艺规范约束，包括：铁水比、炉渣全铁含量、炉渣碱度、渣量约束、转炉停吹温度、出钢成分。铁水比为铁水在转炉所有金属物料(铁水、废钢和生铁)中所占的比例。对于不加入生铁原料条件，铁水比和废钢比的和为1。炉渣全铁含量，是指转炉生成的炉渣中铁元素质量所占炉渣总量的比例。这里的铁元素只考虑了氧化铁中的铁元素。炉渣碱度即渣中CaO与SiO2含量的比值。渣量与转炉钢水重量存在一个合理的比例。转炉停吹温度目标值是为了满足转炉冶炼钢种的后续处理要求而设定的，围绕目标值的上下限范围宽度从控制能力角度进行制定。出钢成分是主要指碳、磷及氧含量。模型计算分析是为了寻找最佳的参数目标值。为了能够实现对铁水比、炉渣全铁含量、炉渣碱度、渣量约束、转炉停吹温度、出钢成分参数影响的计算，各参数均作为模型的输入参数变量，纳入于模型输入输出变量关系的计算体系。基于合理有效的计算体系构建，通过不同参数搭配进行分组批量计算，即可以用于特定参数的寻优。
1.3确定基本的化学反应
主要是指铁水及废钢中元素的氧化反应，考虑的元素有碳、硅、锰、磷、铁。其基本的反应式如下：
x[Ei]+y/2{O2}＝(EixOy) (1)
式中，x、y为反应系数；Ei代表钢液元素；O2代表氧气；EixOy为元素的氧化产物。
1.4确定基本的物质输入及输出项目
转炉炼钢过程物质输入包括金属物料(铁水、废钢、生铁等)、氧气、炼钢副原料(石灰、白云石等，包含耐材消耗)、冷却剂及发热剂等。输出包括冶炼的钢水、炼钢生成的炉渣、烟气以及炉尘等。
1.5确定基本的能量输入及输出项目
确定基本的能量输入及输出项目，其中包括热量生成及损耗项目。热量输入项目经选择确定，包括：铁水物理热、废钢物理热、元素氧化热；热量支出项目经选择确定，包括：钢水物理热、炉渣物理热、烟气物理热、综合热损耗。
1.6构建转炉过程的物质、能量输入输出关系
以工艺规范及过程的基本反应为依据，构建转炉过程的质量、能量输入输出间的关系式。为了表述方便，以单位重量的金属物料为基准构建这种关系。若废钢占据金属物料的比例为α，则废钢重量为α；生铁比例为β，生铁重量为β；铁水重量为1-α-β。按照炉渣的碱度要求，若碱度为R，则石灰加入量为：
其中，κ为计算系数，按经验统计值给定，取值参考范围为[2.3,3.1]；下标l为金属物料编号，指铁水、废钢、生铁；wl为金属物料加入量；(Si)l为金属物料中硅元素含量。其它副原料按照工艺标准加入，若加入量与金属物料的重量比设定标准为ψj，即单位重量金属料的副原料加入量为ψj。其中，下标j代表副原料的编号。
由金属物料加入量，计算元素氧化量：
式中，δi为元素i的氧化量，此处i指碳、硅、锰、磷四个元素；(Ei)l指金属物料l中元素i含量；下标met代表钢水；(Ei)met为转炉吹炼终点钢水中元素i含量。
考虑元素氧化及副原料加入带入，有渣中氧化物成分重量：
式中，λi为按照(1)式反应，元素i转化为氧化物与元素的质量比；(EixOy)j为副原料j中氧化物的含量。按照渣中铁氧化物含量，结合炉渣中其它氧化物重量，计算渣中氧化铁重量。可得炉渣重量：
此处，EixOy指渣中所有成分。
由各元素的氧化量，可得钢液重量：
由各元素的氧化量，可得氧气消耗：
式中，ki为元素i的耗氧比例，即反应的氧气与元素的质量比。
烟气重量仅考虑反应生成的CO及材料分解生成的CO2，有：
式中，λC为生成CO与碳元素的质量比；(CO2)j为副原料j中CO2的含量。
热量输入项包括材料物理热、元素氧化热、成渣热，分别计算如下。
物理热为：
其中，Hj为加入物料j的物理热(J)；Cp,j为物料j的比热容(J/kg/℃)；wj为物料重量；Tj为物料j温度(℃)；T0为参考温度(℃)，取副原料温度；
为物料j的熔化热(J/kg)；χ为计算判定系数，若物料j为液态，为1，否则为0。
反应热为：
式中，
为元素i的氧化放热(J/kg)；
为元素i对应氧化物的成渣反应热(J/kg)。
热量输出项为钢水物理热、炉渣物理热、烟气物理热、综合热损耗。输出项物理热为：
其中，Hk为输出产物k的物理热(J)；Cp,k为产物k的比热容(J/kg/℃)；wk为产物k重量；Tk为产物的温度(℃)；
为产物k的熔化热(J/kg)；χ为计算判定系数，若产物k为液态，为1，否则为0。
综合热损耗按照热量收入的比例计算：
其中，Hloss为综合热损耗(J)；φ为比例系数，取值范围基于经验统计为[0.04,0.06]。
有热量输入较支出的富余量：
若，△H0大于0，表明热量富余，需要加入冷却材料矿石；若△H0小于0，表明热量不足，需要加入发热剂。综合考虑有加入矿石及发热剂量为：
ψore＝-max(△H0,0)/η (14)
式中，上标in表示输入，out表示产出；η为单位重量矿石对热量影响；
为单位重量发热剂对热量影响。
经修正得出最终的输入输出，如下：
wj＝wj+ψore·ξj+ψsic·ωj (16)
wk＝wk+ψore·ξk+ψsic·ωk (17)
式中，ξ表示单位重量矿石对物质量影响；ω表示单位重量发热剂对物质量影响。
1.7材料消耗成本模型构建
以基本的物质输入为成本投入，扣除输出项目可以回收利用的收益，构建转炉炼钢吨钢水的材料成本：
式中，Cmet为炼钢投入成本(元/吨)；wj为单位金属物料投入物料j的重量；Pj为物料j的价格(元/吨)；wk为产出物k的重量(不包括钢水)；Pk为产出物k的回收价格(元/吨)；ηk为产出物k的回收率。
1.8废钢比参数优化
废钢比参数优化目的是达到盈利增收。钢水不是最终的产品，但是可以通过其能形成的最终产品进行折算，进而构建收益增加值测算。总的收益增加计算如下：
式中，Z为吨产品的边际收益(元/吨)；γ为吨钢水折算为吨产品的收得率；Qhot为铁水产量(吨),采用实际生产数据；
为参比废钢条件的计算钢水量结果和加入铁水量。
以总的收益增加值为目标函数，寻找优化的废钢比参数值。其基本方法如下：将废钢比作为输入变量参数，在指定的(工艺允许的)废钢比参数区间，将废钢比参数离散化。为了获取足够的精度，可以离散成足够多的点数。按照不同废钢比条件包括参比条件的废钢比进行如上计算，保存相应的离散化计算结果。以废钢比参数变量为横轴，总的收益增加为纵轴，作出计算所得总的收益增加值随废钢比变化的趋势线。再以总的收益增加的下限划定趋势线的变化范围。收益增加的下限与趋势线交点的横坐标即标定了废钢比优化的选择区间。在此区间寻找最佳的收益点，其对应的废钢比即优化的参数值，由此达到优化的目标。利用获取的参数值，进行管理决策及规程的修改。
本发明通过构建包含废钢比参数的转炉炼钢输入输出间关系，联合材料成本计算，以总的收益增加为目标函数，进而废钢比参数的优化，以实现收益的最大化。
2.实施例
图1示出根据本发明的实施例的转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法的流程图。
如图1所示，方法100包括：
步骤102，获取转炉炼钢工艺条件；
步骤104，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；
步骤106，设定废钢比；
步骤108，计算输入和输出的物质和能量的量，并根据输入和输出的物质和能量的量，计算产出单位钢水的材料成本；
步骤110，根据输入和输出的物质和能量的量和产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；
步骤112，在预定的范围区间内调整废钢比，重复上述步骤108和110以确定收益变化为最高正值的废钢比。
例如：
A.获取转炉炼钢工艺条件及相关参数
工艺条件及相关参数条件包括：铁水成分、入炉铁水温度、废钢成分及温度、辅助材料成分。铁水成分考虑元素碳、硅、锰、磷、硫含量。废钢成分与铁水成分考虑元素一致。辅助材料包括：石灰、轻烧白云石、生白云石、矿石、发热剂。辅助材料成分考虑CaO、SiO2、MgO、Al2O3、CaS、P2O5、Fe2O3含量。发热剂成分考虑另需考虑碳、硅、铁元素成分含量。通过模型完成查询、检索及统计分析以获取计算所需的工艺条件参数。
B.设定工艺规范约束条件
工艺规范约束条件，包括：铁水比、炉渣全铁含量、炉渣碱度、渣量约束、转炉停吹温度、出钢成分。除铁水比为指定的变化范围，其它参数为固定值设定。铁水比的范围为[1-β0,1]，其中β0为工艺所限制的废钢比上限。通过模型完成工艺标准信息的读取，并进行工艺规范约束条件的计算。
C.计算循环初始化
计算状态判定参数：jst＝0；
计算循环计数初始化：n＝0；
设置废钢比离散点数N；
D.设定废钢比
若jst≠0，有，废钢比α＝n·β0/N，n＝n+1；否则，α设定为参比状态的废钢比，jst＝1。
E.计算物质及能量输入输出
计算石灰加入量：
其中，κ为计算系数，按经验统计值给定，取值参考范围为[2.3,3.1]；下标l为金属物料编号，指铁水、废钢、生铁；wl为金属物料加入量；(Si)l为金属物料中硅元素含量。其它副原料加入量计算，按单位重量的金属料加入量设定标准为ψj，下标j代表副原料的编号。
计算元素氧化量：
式中，δi为元素i的氧化量，此处i指碳、硅、锰、磷四个元素；(Ei)l指金属物料l中元素i含量；下标met代表钢水；(Ei)met为转炉吹炼终点钢水中元素i含量。
计算渣中氧化物成分重量：
式中，λi为按照(1)式反应，元素i转化为氧化物与元素的质量比；(EixOy)j为副原料j中氧化物的含量。按照渣中铁氧化物含量，结合炉渣中其它氧化物重量，计算渣中氧化铁重量。
计算炉渣重量：
此处，EixOy指渣中所有成分。
计算钢液重量：
计算氧气消耗：
式中，ki为元素i的耗氧比例，即反应的氧气与元素的质量比。
计算烟气重量：
式中，λC为生成CO与碳元素的质量比；(CO2)j为副原料j中CO2的含量。
计算物理热输入项：
其中，Hj为加入物料j的物理热(J)；Cp,j为物料j的比热容(J/kg/℃)；wj为物料重量；Tj为物料j温度(℃)；T0为参考温度(℃)，取副原料温度；
为物料j的熔化热(J/kg)；χ为计算判定系数，若物料j为液态，为1，否则为0。
计算反应热：
式中，
为元素i的氧化放热(J/kg)；
为元素i对应氧化物的成渣反应热(J/kg)。
计算物理热输出项：
其中，Hk为输出产物k的物理热(J)；Cp,k为产物k的比热容(J/kg/℃)；wk为产物k重量；Tk为产物的温度(℃)；
为产物k的熔化热(J/kg)；χ为计算判定系数，若产物k为液态，为1，否则为0。物理热考虑钢水物理热、炉渣物理热、烟气物理热。
计算综合热损：
其中，Hloss为综合热损耗(J)；φ为比例系数，取值范围基于经验统计为[0.04,0.06]。
计算热量富余量：
计算矿石及发热剂加入量：
ψore＝-max(△H0,0)/η (14)
式中，上标in表示输入，out表示产出；η为单位重量矿石对热量影响；
为单位重量发热剂对热量影响。
修正物质及能量输入输出：
wj＝wj+ψore·ξj+ψsic·ωj (16)
wk＝wk+ψore·ξk+ψsic·ωk (17)
式中，ξ表示单位重量矿石对物质量影响；ω表示单位重量发热剂对物质量影响。
F.计算材料消耗成本及收益增加
计算吨钢投入成本：
式中，Cmet为炼钢投入成本(元/吨)；wj为单位金属物料投入物料j的重量；Pj为物料j的价格(元/吨)；wk为产出物k的重量(不包括钢水)；Pk为产出物k的回收价格(元/吨)；ηk为产出物k的回收率。
若，jst≠0，计算总收益增加：
式中，Z为产品的边际收益(元/吨)；γ为吨钢水折算为吨产品的收得率；Qhot为铁水产量(吨),采用实际生产数据；
为参比废钢条件的计算钢水量结果及加入铁水量。
G.计算返回判定
若n-1＞N，进入下一步；否则，返回D步。
H.废钢比参数寻优
图2示出废钢比参数寻优原理图。
以废钢比参数变量为横轴，总收益增加值为纵轴，作出总收益增加值随废钢比变化的趋势线(如图2所示，图中的粗实线)。如图所示，随着废钢比增大，收益增加值呈现先升高后降低的变化趋势，收益增加值存在一个最大值的极值点。收益增加值可以为正，也可能负，取决于废钢比的变化。以工艺允许的废钢比参数上下限界定废钢比变化范围
图中，总收益增加值为0横线与趋势线有两个交点，其中左边的交点标记了当前实施例参比状态的废钢比α0。总收益增加值的极值点标记了最优盈利点的废钢比
若
说明可以通过增大废钢比实现收益增加；反之，若
则可以通过减小废钢比实现收益增加。过大的废钢比不利工艺操作及过程稳定的控制，因此左交点以及最优盈利点的废钢比决定了废钢比参数的优化选择区间(图中阴影区域)。如图所示，对于当前所选条件，为了增加收益需要增加废钢比。因废钢比需要小于工艺允许的上限
选择最佳的废钢比：
I.废钢比参数的确认
确认计算获得的优化的废钢比参数，下发变更制造标准信息。
在本发明中，计算设计能够适应转炉工艺的变化，成本及盈利分析方法不仅适用于转炉的废钢比参数的优化决策控制，同样可以用于其它工艺参数的优化决策控制，具有推广应用可能及拓展应用前景。本发明基于转炉炼钢的过程原理，综合工艺条件及工艺规范，考虑投入材料成本以及产出材料的回收利用，构建转炉炼钢成本和效益增加值的系统性预测计算，以及废钢比参数寻优决策方法，实现废钢比投入量的在线模型计算优化，应用于生产经营管理的决策控制。
根据本申请的一些实施例，收益变化按照以下公式计算：
根据本申请的一些实施例，产出单位钢水的材料成本Cmet按照以下公式计算：
其中wj为副物料j的加入量，Pj为副物料j的单位价格，wk为除钢水以外的产出物k的量，Pk为产出物k的单位回收价格，ηk为产出物k的回收率。
根据本申请的一些实施例，钢水的产量为金属物料的加入量减去金属物料中的氧化元素的氧化量。
根据本申请的一些实施例，氧化元素包括碳、硅、锰、磷、铁。
根据本申请的一些实施例，除钢水以外的产出物包括炉渣和烟气；其中，
炉渣包括金属物料中成渣氧化元素氧化形成的氧化物和副物料中的氧化物，成渣氧化元素氧化形成的氧化物的量根据成渣氧化元素的氧化量和相应的氧化化学式计算；
烟气包括金属物料中成烟碳元素氧化形成的一氧化碳和从副物料中分解生成的二氧化碳，一氧化碳的量根据金属物料中成烟碳元素的氧化量计算。
根据本申请的一些实施例，成渣氧化元素为金属物料中氧化后形成炉渣的元素，包括硅、锰、磷、铁，成烟碳元素为金属物料中氧化后形成一氧化碳的碳元素。
根据本申请的一些实施例，除了铁以外的氧化元素的氧化量为金属物料中氧化元素的含量减去产出的钢水中氧化元素的含量。
根据本申请的一些实施例，副物料包括石灰，石灰的加入量根据炉渣的碱度要求、金属物料的加入量和金属物料中硅元素含量来计算，其他副物料的加入量根据工艺标准中它们与金属物料的比例来计算。
根据本申请的一些实施例，方法还包括，根据输入和输出的能量之间的差值，确定矿石和发热剂的加入量，并根据矿石和发热剂的加入量对副物料j的加入量wj和除钢水以外的产出物k的量wk进行修正。
根据本申请的一些实施例，废钢比为加入的废钢在加入的金属物料中的占比，预定的范围区间包括：[0,β0]，β0为工艺所限制的废钢比的上限；
参比条件为：废钢比设定为预定参比值。
根据本申请的一些实施例，获取转炉炼钢工艺条件包括：获取铁水成分、入炉铁水温度、废钢成分及温度、辅助材料成分。
根据本申请的一些实施例，设定转炉炼钢工艺规范约束条件包括：按变量设定铁水比；
按固定值设定炉渣全铁含量、炉渣碱度、渣量约束、转炉停吹温度、出钢成分。
根据本申请的一些实施例，输入和输出的物质和能量包括：
输入的物质包括金属物料、氧气、副物料、冷却剂和发热剂，其中，金属物料包括铁水、废钢、生铁，副物料包括石灰、白云石、消耗的耐材；
输出的物质包括钢水、炉渣、烟气以及炉尘；
输入的能量包括铁水物理热、废钢物理热、元素氧化热；
输出的能量包括钢水物理热、炉渣物理热、烟气物理热、综合热损耗。
图3示出根据本发明的实施例的一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定系统的框图。
如图3所述，系统300包括条件确定模块302、废钢比设定模块304、计算模块306和寻优模块308；
条件确定模块302获取转炉炼钢工艺条件，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；
废钢比设定模块304设定废钢比；
计算模块306计算输入和输出的物质和能量的量，并根据输入和输出的物质和能量的量，计算产出单位钢水的材料成本，根据输入和输出的物质和能量的量和产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；
寻优模块308在预定的范围区间内调整废钢比，重复上述计算模块306的操作确定收益变化为最高正值的废钢比。
第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
根据本申请的一些实施例，公开了一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定设备，设备包括存储有计算机可执行指令的存储器和处理器，当指令被处理器执行时，使得设备实施转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法。
第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
根据本申请的一些实施例，公开了一种计算机存储介质，在计算机存储介质上存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法。
第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
在一些情况下，所公开的实施例可以以硬件、固件、软件或其任何组合形式来实现。所公开的实施例还可以以承载或储存在一个或多个瞬态或非瞬态的机器可读(例如，计算机可读)存储介质上的指令或程序形式实现，其可以由一个或多个处理器等读取和执行。当指令或程序被机器运行时，机器可以执行前述的各种方法。例如，指令可以通过网络或其他计算机可读介质分发。因此，机器可读介质可以包括但不限于，用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机制，例如，软盘，光盘，光盘只读存储器(CD-ROMs)，磁光盘，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，电子式可清除程序化只读存储器(EEPROM)，磁卡或光卡，或者用于通过电、光、声或其他形式信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)传输网络信息的闪存或有形的机器可读存储器。因此，机器可读介质包括任何形式的适合于存储或传输电子指令或机器(例如，计算机)可读信息的机器可读介质。
上面结合附图对本申请的实施例做了详细说明，但本申请技术方案的使用不仅仅局限于本专利实施例中提及的各种应用，各种结构和变型都可以参考本申请技术方案轻易地实施，以达到本文中提及的各种有益效果。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本申请宗旨的前提下做出的各种变化，均应归属于本申请专利涵盖范围。
Claims (17)
1.一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法，其特征在于，方法包括：
第一步，获取转炉炼钢工艺条件；
第二步，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；
第三步，设定废钢比；
第四步，计算输入和输出的物质和能量的量，并根据所述输入和输出的物质和能量的量，计算产出单位钢水的材料成本；
第五步，根据所述输入和输出的物质和能量的量和所述产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；
第六步，在预定的范围区间内调整所述废钢比，重复上述步骤四和五以确定所述收益变化为最高正值的所述废钢比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收益变化按照以下公式计算：
其中△P为所述收益变化，Z为单位最终产品的边际收益，γ为单位钢水折算为单位所述最终产品的收得率，Qhot为铁水的产量，wmet为计算的钢水的产量，whot为铁水的加入量，
为所述参比条件下的计算的钢水的产量，
为所述参比条件下的铁水的加入量，Cmet为所述产出单位钢水的材料成本，
为所述参比条件下的所述产出单位钢水的材料成本。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述产出单位钢水的材料成本Cmet按照以下公式计算：
其中wj为副物料j的加入量，Pj为所述副物料j的单位价格，wk为除钢水以外的产出物k的量，Pk为所述产出物k的单位回收价格，ηk为所述产出物k的回收率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述钢水的产量为金属物料的加入量减去所述金属物料中的氧化元素的氧化量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化元素包括碳、硅、锰、磷、铁。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述除钢水以外的产出物包括炉渣和烟气；其中，
所述炉渣包括金属物料中成渣氧化元素氧化形成的氧化物和所述副物料中的氧化物，所述成渣氧化元素氧化形成的氧化物的量根据所述成渣氧化元素的氧化量和相应的氧化化学式计算；
所述烟气包括所述金属物料中成烟碳元素氧化形成的一氧化碳和从所述副物料中分解生成的二氧化碳，所述一氧化碳的量根据所述金属物料中所述成烟碳元素的氧化量计算。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述成渣氧化元素为所述金属物料中氧化后形成炉渣的元素，包括硅、锰、磷、铁，所述成烟碳元素为所述金属物料中氧化后形成一氧化碳的碳元素。
8.根据权利要求4至7所述的方法，其特征在于，除了铁以外的所述氧化元素的氧化量为所述金属物料中所述氧化元素的含量减去产出的钢水中所述氧化元素的含量。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述副物料包括石灰，所述石灰的加入量根据炉渣的碱度要求、金属物料的加入量和所述金属物料中硅元素含量来计算，其他所述副物料的加入量根据工艺标准中它们与所述金属物料的比例来计算。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括，根据所述输入和输出的能量之间的差值，确定矿石和发热剂的加入量，并根据所述矿石和发热剂的加入量对所述副物料j的加入量wj和所述除钢水以外的产出物k的量wk进行修正。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废钢比为加入的废钢在加入的金属物料中的占比，所述预定的范围区间包括：[0,β0]，β0为工艺所限制的所述废钢比的上限；
所述参比条件为：所述废钢比设定为预定参比值。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取转炉炼钢工艺条件包括：获取铁水成分、入炉铁水温度、废钢成分及温度、辅助材料成分。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定转炉炼钢工艺规范约束条件包括：按变量设定所述铁水比；
按固定值设定炉渣全铁含量、炉渣碱度、渣量约束、转炉停吹温度、出钢成分。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入和输出的物质和能量包括：
输入的物质包括金属物料、氧气、副物料、冷却剂和发热剂，其中，所述金属物料包括铁水、废钢、生铁，所述副物料包括石灰、白云石、消耗的耐材；
输出的物质包括钢水、炉渣、烟气以及炉尘；
输入的能量包括铁水物理热、废钢物理热、元素氧化热；
输出的能量包括钢水物理热、炉渣物理热、烟气物理热、综合热损耗。
15.一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定系统，其特征在于，包括条件确定模块、废钢比设定模块、计算模块和寻优模块；
所述条件确定模块获取转炉炼钢工艺条件，设定转炉炼钢工艺规范约束条件；
废钢比设定模块设定废钢比；
计算模块计算输入和输出的物质和能量的量，并根据所述输入和输出的物质和能量的量，计算产出单位钢水的材料成本，根据所述输入和输出的物质和能量的量和所述产出单位钢水的材料成本，计算相比于参比条件下的收益变化；
寻优模块在预定的范围区间内调整所述废钢比，重复上述计算模块的操作确定所述收益变化为最高正值的所述废钢比。
16.一种转炉炼钢中最经济废钢比的确定设备，其特征在于，所述设备包括存储有计算机可执行指令的存储器和处理器，当所述指令被所述处理器执行时，使得所述设备实施根据权利要求1-14中任一项所述的转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法。
17.一种计算机存储介质，其特征在于，在所述计算机存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行根据权利要求1-14中任一项所述的转炉炼钢中最经济废钢比的确定方法。
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