高炉优化配矿技术

介绍了神经网络技术在武钢优化高炉配矿模型开发中的应用，并比较了神经元网
络和传统热平衡两种方法的综合焦比预报结果。
作者以往应用ANN于高炉炼铁的研究 [3]Zuo Guangqing, Björkman Bo. An expert Network for Prediction and Control of the Silicon Content of the Hot Metal[C]. The International Conference On Medelling And Simulation In Metallurgical Engineering And Materials Science, June 11-13, 1996, Beijing, China, 417~422.
• 为了减少ANN模型的复杂性和限制输入节点的数目，排除生产故障的影响，我们采
取了将发生故障当日的数据舍去的措施。这样既能消除故障给数据带来的影响，也 能保证所得规律具有一般性。
2.3 ANN模型输入节点的确定方法
• 网络结构包含以下内容：输入节点向量（输入层节点类型与数目），隐含层数目（一般 选1层），隐含层节点数目，学习速率，动量因子，输入层→隐含层各节点间的权值， 隐含层→输出层各节点间的权值，精度（即收敛允许误差）和阈值，输出节点个数。采用
式和组织结构。神经网络是一个由简单处理单元构成的规模宏大的并行分布处理器，
它通过合理复杂的非线性问题，模仿大脑对这些知识进行处理，用以执行特定 的任务或完成感兴趣的功能，可克服传统模式识别方法或一般算法在问题求解、决 策制定时得不出结果或结果不准确的难题。
• BP网络通过训练，确定了输入、输出间的最优非线性关系，并将其分布到网络的连
接权（输入层到中间层各节点间的权值，以及中间层到输出层各节点间的权值） 上，在面对一组新的样本数据时，只需通过已确定的连接权矩阵进行运算，得到的 输出结果即为新样本空间对应的预测值。 判断最优非线性关系已经确定的依据：误差dj达到允许的范围之内，采用的误差 函数为：
明，任何传统的数学手段，如回归统计方法等，都难以对高炉的燃料消耗和生产率做 出准确预测，也无法在生产高炉上，通过工业性试验确定某单一因素对燃料消耗或生 产率的影响系数。
• 神经元网络是指由大量的人工神经元（类似于生物神经系统的神经细胞）互连而组 成的网络，它试图从微观上解决人类认知功能，并在网络层次上模拟人类的思维方
k i k j
入信号，要先向前传播到隐含层结点，经过作用函 数后，再把隐含层结点的输出信息传播到输出结点，
最后给出输出结果。以三层网络结构为例，如图1所
示，设置训练组为{ xik , T jk }，i是输入层节点的编号， j是输出层节点的编号，k是数据样本编号。W是权 图1 三层BP神经网络的结构 值，h是中间层节点的编号。
它们应该具有尽可能高的预报精度。 • 炼铁高炉是一种高温、高压，密闭、连续式大型反应器，其生产效率（主要反映在燃料消耗和产量
上）的影响因素：1）原燃料性质的变化；2）各种炉内反应（固体、液体、气体和粉体等多种物相之 间热量、质量和动量传递状态）；3）炉子的工作内型；4）以上三种因素的交互作用。
• 从控制论的角度，高炉炼铁过程是一种多变量、大滞后的复杂动力学系统。经验证
落温度、软化区间和软熔区间。
计算熔点：采用FactSage热力学计算软件包计算获得
即将输入层节点向量（节点类型与节点数目）作为一种优化条件
• 一般的做法是选定输入节点的类型与数目后即不再改动，而本文的做法是首先建立 输入节点清单，然后从清单中取出若干个节点进行网络训练，通过调整网络的其它 结构参数（如中间层节点数，学习速率，动量因子等）进行训练，得到不同输入层
[4]毕学工，邱剑.高炉炉温预报神经网络模型结构优化的研究[C].2001中国钢铁年会论文集（上卷）， 冶金工业出版社，北京，368. [5]李昕，毕学工.高炉铁水硅含量的神经网络预报[J].河南冶金，2010，18(1): 21-23. [6]涂春林，毕学工，周勇.高炉炉顶温度分布模式识别神经元网络的研究[J].河南冶金， 2004，12(1): 10-12+20.
含量，焦炭耐磨指数，焦炭抗碎指数，烧结矿含粉率（小于5mm的比例），高炉
的Zn负荷（即单位生铁随炉料带人的Zn的重量）等。焦炭热性能指标（反应性CRI 指数和反应后强度CSR指数）也很重要，但目前它们的检测频度比较低（一般一个
月一次，或在需要时进行检测），所以暂时没有包括在输入节点清单里。
2.4 ANN模型的预报精度
• 铁矿石的性能包括：化学成分和冶金性能
• 冶金性能又分为冷态冶金性能和高温冶金性能 不仅是化学成分，而且高温冶金性能也对高炉生产指标有非常大的影响
钢铁厂的原燃料管理制度规定：
烧结矿、球团矿和天然块矿的化学成分与冷态性能要定期检测；当烧结厂或球团厂计划使用新品种矿石时， 要求通过实验室试验提前了解烧结矿、球团矿性能的变化；
• 创建ANN要先后经历训练和预测两个阶段，表1和表2分别列出了综合焦比ANN模型和 利用系数ANN模型的精度。 •
±5
误差范围,kg/t 精度，% 1.05
表1 综合焦比ANN模型的精度
±8 1.68
误差范围,kg/t 精度，% 误差范围,kg/t 精度，% ±10 2.10
训练 预报
62.2 63.2
了2010年4月至2014年11月连续4年8个月的生产数据，用于两种高炉生产指标预报
ANN模型的研究。 尽可能多地收集生产数据 有利于提升未知世界与创建模型时包容世界的相似程度
• 此外，还要考虑大数据的正确使用，即排除数据中的噪声的问题。高炉是一种非常 复杂的大型冶金系统，在实际生产中经常因为设备运行、电力供应、原材料或产品 运输等环节出现故障而休风停产，还可能因为炉况发生严重失常而被迫减风、减压。 在实际生产中，很难找到没有发生任何故障的月份。在处理故障过程中，按照规程 采用减压、休风、停煤停氧、改高压等系列操作，这些操作会严重影响高炉的综合 焦比和产量。
单输出节点的网络，即综合焦比预报ANN网络的输出节点为综合焦比，利用系数预报ANN
网络的输出节点为利用系数。 • 确定ANN网络的输入节点的通常做法是结合现场获取数据的条件和根据与输出节点（如综 合焦比或利用系数）的相关程度，而评判相关程度又有统计学的相关性分析和高炉炼铁理 论分析两种方法。本文高度重视高炉配矿高温冶金性能对综合焦比和利用系数的影响，为 此，基于武钢研究院提供的大量高炉配矿熔滴性能的测试结果，开发了开始滴落温度与FeO 和计算熔点、软化区间与FeO和TFe、软熔区间与FeO和TFe的关系式，预测精度达到了 ±3℃，令人满意。如此，我们的输入节点清单中就有了三个新的成员：高炉配矿的开始滴
在我国炼铁界流行着“三分操作七分原料”的说法
全球铁矿石资源条件的现状：优质铁矿石供应量大幅度减少，高炉使用的铁矿石 品种不断增多而质量不断变差。 为了降低生产成本和增强企业的生存能力，各钢铁厂目前经常改变用矿品种， 不断扩大低价矿（经常意味着低质）和含铁回收料的使用量。
• 高炉配矿的基本要求：1）生铁成分的要求，即[S]、[P]、[Mn]、[As]等在规定范围内；2）炉渣性能的要求， 即CaO/SiO2、(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)和脱硫能力、脱碱能力在规定范围内；3）有害元素负荷的要求，即单 位生铁由原材料带入的S、P、Zn、K、Na、Pb、As、Cl、Cu等有害元素的总量在规定范围内 • 高炉配矿的成本最低要求：生铁成本的构成：用矿成本（尽可能多使用低价矿），燃料成本（焦比和煤比 低）和车间制造费（利用系数高）之和最低。还包括相应的熔剂成本（此项一般很少）
称为“高炉配矿”或“高炉综合炉料” • 烧结矿用若干种粉状铁矿石通过配加熔剂和燃料经过高温烧结制得，球团矿一般 用一到两种细粒铁矿石经过造球、预热和焙烧制得，而天然块矿在入炉以前要经 过破碎和筛分，使其在粒度方面达到高炉的要求。 • 高炉的主要技术经济指标：利用系数、燃料比和生铁成本 它们在很大程度上决定于高炉配矿的性能
T是观测值，y是计算值，n是样本总数
2.2 基于大数据建立ANN模型
首先要考虑数据库的规模问题。由于神经元网络系基于实际生产数据建立，所以 它不可避免地具有明显的统计学特点，即它对未知世界（各种可能的高炉配矿和操 作条件下的综合焦比和利用系数）的预报精度与建立网络时的高炉状况的相似程度 密切相关，相似度越高，网络的预报精度越高。因此，尽可能多地收集生产数据， 尽力扩大数据库的规模无疑是一种正确选择。本文以武钢8号高炉为研究对象，收集
条件下的收敛精度，最后选取收敛精度最高的输入层条件、与之对应的其它网络结
构参数和各级权值向量，做为网络的训练结果。 • 除了配矿的三个高温冶金性能指标以外，输入节点清单中还包括：风温，配矿的含 铁品位，配矿的FeO含量，鼓风富氧率，炉顶煤气压力，炉顶煤气CO利用率，熟料 比（烧结矿和球团矿在高炉配矿中的比例），生铁含硅量，焦炭含硫量，焦炭灰分
• 上面所谈为高炉配矿本身性能对高炉生产指标的影响，但预报高炉生产指标还必须
同时考虑高炉的操作条件（热制度、造渣制度、鼓风制度、喷吹制度、装料制度， 等）的影响。
1.2高炉配矿应用ANN技术的必要性
• 操作中常用的两种焦比预测方法：（1）焦比影响系数法，系根据矿石铁分、烧结矿FeO、烧结矿碱 度、烧结矿<5mm含量等各种性能指标的影响系数对焦比进行估算，其缺点是：a)取值范围往往很宽，
• 神经网络已在模式识别、信号处理、自动控制等领域取得了显著成效，在炼铁领域 已应用于铁水含硅量和炉温预报、炉顶煤气温度分布模式识别等，在炼钢领域已应 用于板坯连铸漏钢预报和复吹转炉终点氧含量预报等。范志刚等和韩红亮等尝试过 应用神经网络对高炉焦比进行预报，但考虑的影响因素没有包括配矿的性能。本文
高炉优化配矿技术
演讲人：毕学工
日期：2017.5.13 鞍山