尹業(yè)華,陳甫剛,李云財
(云南昆鋼電子信息科技有限公司,云南 昆明 650300)
隨著鋼鐵行業(yè)經營形勢的逐步惡化、礦石成本的增加,鐵前降成本成為鋼鐵企業(yè)解圍脫困的首要選擇,而原料降成本是眾多降本措施中最為重要的環(huán)節(jié)。我國鐵礦石進口量持續(xù)增長,供應量的不足導致進口鐵礦石價格超常增長。高爐煉鐵對鐵礦石的要求極為苛刻,某些品位高的天然粉礦因而不能直接入爐冶煉。外購天然礦石雖然品位高,但其成分存在差異,需要經過燒結和球團工藝的加工,達到符合化學成分含量標準后才能進入高爐冶煉。鐵前成本占整個鋼鐵生產成本的80%以上,降低鐵前成本將有利于降低整個鋼鐵生產成本。鐵前降成本的主要抓手在于合理配礦及用料,為了追求設備的最佳產能,創(chuàng)造更高的經濟效益,鋼鐵企業(yè)往往以人工礦石輔以一定量的天然礦石來制定合理的配礦配比計劃。配料降成本不能單獨考慮燒結、球團等中間過程,還要統(tǒng)籌考慮從原料采購到高爐生產的整個過程,只有將各種原料成分、性能、價格等因素與燒結、球團煉鐵生產穩(wěn)定結合在一起,進行全工序配料,將鐵前降成本作為最終目標,才能真正起到降本增效的作用。
當前很多煉鐵廠的用礦結構和品種均復雜多樣,從燒結原料、球團原料、外購球團、塊礦到高爐燃料,近百種礦石和燃輔料中,同種礦石原料在不同時間地域時的價格和成分都會有區(qū)別;各種礦石的冶金性能、礦石中的有害物質影響及燒結礦產質量都會對高爐順行狀況和生鐵成本產生影響;某種礦石的價格或成分的改變都會引起整個用礦結構的變化。
由于配礦模型的優(yōu)化配礦結果是建立在理論配礦的基礎上,依據物料守恒結合不同尤其是針對一些新引入的礦種,在實際生產中,還需要依靠燒結杯實驗結果來進行修正。只有配礦模型優(yōu)化結果與燒結杯實驗的有機結合,才能實現生產過程的用礦成本最優(yōu),到控制煉鐵成本最低的生產經營目標。一些生產企業(yè)只是取現有的燒結礦和球團礦成分與價格代入到高爐配料程序中進行計算,有的甚至沒有成本計算;而燒結配料一般只是各種礦石成分的疊加。燒結配料過程一般是先計算、再實驗,實驗確認后才能投入生產,往往費時費力,難以適應當前原料條件的快速變化。并且,無論燒結配料、球團配料還是高爐配料,各生產環(huán)節(jié)都是從各自的自身利益出發(fā),對于礦石品位、性能、有害雜質等因素與成本的關系不能做到通盤考慮,難以實現煉鐵效益最大化。
目前大多數煉鐵工藝專家擬訂礦配方時,都是依靠以往經驗,使用近期的礦石市場數據通過計算器在紙上或通過EXCEL在電腦上計算,數據微小的變動需要花費很多時間來演算和驗證,手工計算需要一點點微量改變來接近約束,每一次計算都很費時費力,而且每次計算的數據都需要多次驗證,如果不滿足工藝約束限制則需要重新計算。
配料模型得出的用礦結構需要與生產管理部、經營策劃、貿易和采購等部門的溝通協調,并對優(yōu)化結果統(tǒng)一確認可行性,對提出的新限制條件研判合理性后才能落實使用。但現實常常是各單位部門較分散,管理工作責任主體不明確,沒有建立一個分工明確、權責明晰的用礦配方落地系統(tǒng),導致用礦結構落實不到位。
配礦優(yōu)化管理工作需要專業(yè)的煉鐵工藝專家負責,對礦石市場行情數據的收集、整理,對新的用礦結構進行理論數據計算。但目前很多公司都沒有成立專門的部門、配備專業(yè)的技術人員,更沒有組成集中統(tǒng)一的協同工作體系,不能及時掌握礦石市場信息,使配礦優(yōu)化發(fā)揮作用。
配礦優(yōu)化模型是根據當前的物料數據優(yōu)化出當前情況下最好的用礦結構,但很多生產企業(yè)對該用礦結構的認同度不高,只把其當作一個參考,并且會人為手動調整優(yōu)化配方結構,沒有將完整的用礦結構落到實處。
配料是一項系統(tǒng)工程,既要考慮各種含鐵原料的庫存條件,又要考慮燒結礦的化學成分、冶金性能,以及各種含鐵原料對燒結過程參數、燒結礦質量及燒結利用系數的影響;在當前降本壓力巨大的形勢下,更要考慮整個高爐爐料結構的合理搭配,既要滿足高爐生產順行的需要,又要達到生鐵利潤最大的目標。式(1)模型的輸入數據包括鐵礦石的價格、成分、可用量等信息,模型輸出有3類信息:1)求解決策變量值,即鐵礦石、燃料、輔料用量及配比;2)每天的成本、利潤明細;3)鐵水、爐渣質量和成分信息。
f(x)max=C×Fe計-f燒(x)+f球(x)-f高(x)
(1)
式(1)中,C是鐵水設定售價,由財務部門給出具體值;Fe計是鐵水計算產量;f燒(x)是燒結成本計算表達式;f球(x)是球團成本計算表達式;f高(x)是高爐成本計算表達式。
優(yōu)化用礦結構不是沒有界限的優(yōu)化,而是根據實際生產工藝設置了約束,在約束的上下限范圍內找到最優(yōu)的決策變量(各礦石用量)和最優(yōu)解(利潤最大)。設置約束條件主要包括各礦石用量配比約束、工藝指標約束、礦石庫存與產量約束。礦石的決策變配比下限表達式為
(2)
ti下是根據料場庫存設定的閾值,上限表達式為
(3)
ti上是根據料場庫存設定的閾值。
在模型優(yōu)化結構中,需要結合實際生產情況,對近期大量的生產數據進行分析總結,計算出燒結內外返比率、高爐燃料焦比和煤比、鐵元素收得率、鐵水中鐵元素占比;結合生產實際,調整系數中的燒結、球團、高爐工序中的各成分質量保留率和調整系數,通過大量的數據計算總結并且進行驗證;進鐵、渣、灰的各元素成分的比率需在煉鐵工藝理論指導下得出。
配料用礦優(yōu)化模型應結合公司管理制度體系,建立數據錄入、模型優(yōu)化調整、查看分析等權責分明的用戶管理體系,不同的用戶有相應權限。
4.1.1 配料用礦優(yōu)化模型數據及時準確
1)進口粉礦、外購精粉統(tǒng)一提供可比時間段內的到廠價對比,將各種含鐵原料、燃料及熔劑的典型成分、粒度組成、定價模式或購買價格等匯總到同一界面,使用時可以在任何一個高爐、燒結配料系統(tǒng)隨意調取。2)由于所用礦石種類繁多,既有長協礦又有貿易礦,還有公司內部的回收料,各種礦價格也不相同(一般隨鐵礦石指數相應變動),但無論現貨礦石還是長協礦,其時點價格都可以通過當期買點價格或定價模式做到與同期指數同步對應。對于每次的配料計算或價效評定,只需輸入當期幾個指數,即可計算出當期所有含鐵原料的時點價格。
4.1.2 利用優(yōu)化器構建配料用礦結構的引導機制
公司應基于配料用礦模型優(yōu)化平臺進行礦石市場信息的收集和分析,將性價比排行較低且影響鐵水質量或產生有害元素的礦石排除,避免影響鐵水質量與品質。在礦石市場信息等平臺及時獲取正確信息,利用權威機構發(fā)布的實時市場信息,掌握正確的市場導向;對實際生產使用頻率較高且成分穩(wěn)定的礦石建立礦石數據庫。由于配礦模型的優(yōu)化配礦結果是建立在理論配礦的基礎上,尤其是針對一些新引入的礦種,實際生產還必須依靠燒結杯實驗的結果來進行修正。只有配礦模型優(yōu)化結果與燒結杯實驗有機結合,才能實現從生產過程的用礦成本最優(yōu),到控制煉鐵成本最低的生產經營目標。
4.1.2 利用配料用礦優(yōu)化模型構建月度用礦結構協同聯動機制
價值效益全面落地依賴于配料計劃與實施方案的準確性,通過緊密銜接的配礦決策與跟蹤看板,有效把控時點與執(zhí)行效率,降低落地漏損;建立月度用礦結構聯動機制:“配方按照模型選、采購訂單按照配方下、貨物按照訂單到、原料按照計劃燒”。為實現優(yōu)化后配方的收益落地,需要在礦粉詢價、入料管理、質量跟蹤、績效考核等方面落實配套舉措。
4.2.1 確認配料用礦優(yōu)化模型工作部門的權責
合理界定配料用礦優(yōu)化模型工作部門的責任,制作管理責任規(guī)范和責任清單,從分管領導到部門負責人到具體的模型使用人員,人人都要明確界定工作的責任和范圍,權責清晰,主體明確,做好配料用礦優(yōu)化模型管理工作。
4.2.2 樹立正確使用配料用礦優(yōu)化模型的觀念
目前生產企業(yè)多以人工手動計算月度用礦結構,許多工藝技術專家總以自己技術經驗為準,不認可利用計算機優(yōu)化器得出的用礦結構。人工出用礦結構工作時間長、復雜而且繁瑣,人為誤差多,而配料用礦優(yōu)化模型以上百種礦石原料輸入數據結合幾百個限制約束,能在幾秒內得出滿足約束和目標的用礦結構,誤差較小。
4.3.1 建立從詢價、全價值配料模型比價、鎖價執(zhí)行的完善流程
該模型自2019年12月中旬上線使用至今,對礦粉市場信息掌握準確、及時,并完成期、現貨成本信息轉換,運輸成本與交期信息準確,庫存信息準確及時。但仍需做到入廠檢測信息準確、及時,廠內物料檢測準確、及時,完善稱量系統(tǒng)信息準確和高爐操作參數信息監(jiān)控等手段,才能確保生產穩(wěn)定前提下逐步實現降本;還應對燒結礦、球團等關鍵中間產品的質量作持續(xù)跟蹤,并建立反饋調整入料、后續(xù)高爐入料優(yōu)化等機制。在配料過程中,鑒于鐵礦石市場變化快的特點,當前的采購行為大部分是控制低庫存,采取小批量、多批次進行采購,燒結及高爐用料也隨之頻繁變化。有害雜質含量高的礦石都有不同程度的折扣,但各種礦石所含有害雜質成分各不相同,應根據自己的資源情況,結合現有市場資源,統(tǒng)籌考慮各種礦物的配合效益,即最終的生鐵成本。例如在配料過程中用高硅低鋁礦搭配高鋁低硅礦、用高硫低磷礦搭配高磷低硫礦等。在結合自有資源及可購買資源情況時,同時使用多種折扣較大的經濟礦,既能有效控制生鐵有害元素負荷的上限,又能充分利用各種經濟礦的價效優(yōu)勢及有害元素的上限空間,最大限度地提高生鐵利潤。
4.3.2 綜合考慮各種爐料的冶金性能及價效
配料一體化模型能夠綜合考慮各種爐料性能、價效、庫存等多方面的因素。例如通過價效計算比較,得到當期塊礦價效最好,燒結礦特別是燒結礦價效較差,而球團礦價效最差;并且由于兩船塊礦到港間歇太近而造成塊礦庫存嚴重偏高,為了提高生鐵利潤,采取控制球團比例上限,提高塊礦配比的方式。而現實是由于燒結礦熔滴溫度過高,球團礦熔滴溫度太低,高爐熔滴區(qū)間寬,造成高爐壓差持續(xù)偏高;因此在配料過程中提出了降低燒結礦堿度及MgO含量來降低燒結礦熔滴溫度,并調配公司庫存較高的高鎂精礦用于球團生產,提高球團礦中MgO含量,使球團礦熔滴溫度得以提高,從而改善了高爐爐料結構的冶金性能。燒結堿度的降低,反而不易提高價效最好的塊礦比例成本,因此綜合考慮各種爐料的冶金性能及價效情況,筆者采取了在高爐中配加少量白云石塊的措施,在降低燒結堿度、改善冶金性能前提下增加塊礦使用量,同時保證高爐渣中適宜的MgO/ Al2O3,確保高爐渣具有良好的流動性及脫硫能力。
通過這些措施,既能提高生鐵利潤,改善爐料結構冶金性能及爐渣性能,促進高爐爐況順行的作用,同時又可降低當期高鎂精礦與塊礦庫存過高帶來的市場風險。
利用廠區(qū)提供的配料原始數據,優(yōu)化求解前后數據對比如表1所示。
如圖1所示,在使用模型優(yōu)化后,單噸鐵水成本有明顯下降;其中礦石成本降低65元,焦炭與噴吹煤成本降低5元。
如圖2所示,單噸鐵水成本中的礦石成本詳細數據表明:礦石成本降低65元,塊礦的貢獻最大為77元,燒結礦降低4元,自產球團降低8元。
如圖3所示,模型優(yōu)化燒結用礦結構,主要是減少外購礦石的使用量,噸燒結礦成本降低49元。
表1 配料模型優(yōu)化前后對比Tab.1 Comparison of batching models before and after optimization
圖1 鐵水成本組成Fig.1 Cost composition of hot metal
圖2 礦石成本組成Fig.2 Composition of ore cost
圖3 燒結礦成本組成Fig.3 Cost composition of sinter
如圖4所示,優(yōu)化模型的燒結礦品位數據與實際生產中的測量數據對比,誤差較小,且模型優(yōu)化的數據更穩(wěn)定。
如圖5所示,優(yōu)化模型的燒結礦二元堿度數據與實際生產中的測量數據對比,誤差較小,且模型優(yōu)化的數據更穩(wěn)定,更有有助于工藝人員控制高爐環(huán)節(jié)爐渣二元堿度。
如圖6所示,優(yōu)化模型的燒結礦有害元素As含量與實際生產中的測量數據對比,誤差較小,且模型優(yōu)化的數據更穩(wěn)定,更有助于工藝人員控制燒結礦有害元素含量。
圖4 實際燒結礦品位(虛線)與模型計算燒結礦品位(實線)對比Fig.4 Comparison of actual sinter grade and model calculation (solid line) sinter grade
圖6 實際燒結礦As含量(虛線)與模型計算燒結礦As含量(實線)對比Fig.6 Comparison of actual sinter As content and model calculation (solid line) sinter As content
1)配料一體化模型將燒結配料、球團配料與高爐爐料結構等融合在一起,綜合考慮各方面因素,以生鐵利潤最大為最終目標,能夠最大程度提高生鐵利潤。
2)運用冶金性能數據庫可以較好地預測配料對燒結礦冶金性能,指導燒結工藝過程參數優(yōu)化,確保高爐結構穩(wěn)定,使配料更加高效快捷,但目前還難以滿足用礦種類的頻繁變化,需要不斷地積累完善。