铁精矿品位优化通用系统.pdf

27 卷 第 1 期 北京Vol.27 No.1 20052Journal of University of Science and Technology BeijingFeb. 2005 收稿日期2004–03–08修回日期 2004–09–24 基金项目国家十五科技攻关计划项目No.2001BA609A-14 作者简介李克庆 1966 男副教授 精矿品位是体现矿山系统生产经营效果的 重要指标之一 我国铁精矿品位指标的制定 传 统上采用由技术主管部门统一下达指标实行 一刀切式的管理而在实际的生产经营过程 中 矿山的资源状况 生产技术水平 各种原料 中间产品及其他辅助原料的市场条件均在不断 地发生着变化合理的铁精矿品位指标的制定 应能及时地反映这种变化 制定合理铁精矿品位 的技术 涉及地质 采矿 选矿 烧结 球团 炼铁 等诸多专业领域 这些生产环节之间往往既相互 影响 又互相制约 [1] 如铁精矿品位既受前序资 源状况开采技术水平及选矿技术水平的影响 同时又受后续烧结球团甚至炼铁工艺的制约 这 就使得该项工作显得十分复杂 基于上述原因 对影响和制约铁精矿品位的 各工艺技术环节进行深入而系统的研究 挖掘隐 藏于它们之间的动态的 有机的联系关系 并借 助于计算机技术 研制一套能够根据生产经营和 市场状况对铁精矿品位等生产经营指标进行实 时动态优化的通用性软件系统实在是必要的 1铁精矿品位的确定原理及方法 铁精矿品位是否合理 其标准应是矿冶生产 过程中各项技术指标 包括精矿品位 所反映出 的矿冶系统总体经营效果是否最佳 对一个具体 的矿山–冶炼系统而言其具体确定方法就是建 立起边界品位 工业品位 采矿损失率 贫化率及 选矿的磨矿细度 烧结矿碱度 炉渣碱度等经营 参数各自作不同变动排列组合的大量方案 对这 些方案分别计算各自所对应的总利润净现值 生铁总量等经营目标值 然后对这些方案实施多 目标优化决策技术 从中选取总目标值最优的方 案 该方案所对应的精矿品位 即是反映矿山–冶 炼整体效益最佳的合理精矿品位 [2] 该过程的实 施步骤具体如下 1 建立以边界品位和工业品位为自变量求 解矿石储量和平均品位的数学模型 有了这两个 模型即可对矿山的作业对象 矿体在不同 工业指标下的数量和质量进行动态的描述 Q c1,c2Q0 c1 c2 x D x f xx c2 D x f xx c c x D x f xx c D x f xx 1 C c1,c2 c1 c2x x D x f xx c2 xD x f xx c c x D x f xx c D x f xx 2 式中, Q c1,c2为在边界品位为c1 工业品位为c2时 的矿体储量 C c1,c2为在边界品位为c1 工业品位 为c 2时的矿体平均地质品位 Q0为在边界品位为 c 工业品位为c 时 计算范围内原始勘探求得的 矿体储量D x 为品位为x的矿石所对应的体重 模型 f x 为矿石品位频率分布函数x 为品 位介于边界品位和工业品位之间的样品进入表 内矿的概率函数 概率函数一般为 x x c1 c2c1 m c1x c23 铁精矿品位优化通用系统 李克庆秦元萍刘保顺袁怀雨 北京科技大学土木与环境工程学院 北京 100083 摘要在对影响铁精矿品位的主要工艺技术进行系统分析的基础上 提出了综合考虑技 术和经济因素 建立动态模型采用多目标决策技术优化铁精矿品位的基本思路和方法 介 绍了基于该方法的铁精矿品位优化系统的设计方法和基本功能并通过实例说明了该系统 主要的实施步骤 关键词精矿品位 优化 多目标决策 分类号F407.1; TF522 Vol.27 No.1李克庆等 铁精矿品位优化通用系统115 其中,m 值随矿床地质条件而定对具体矿山可 通过参数估值求得 2建立损失率和贫化率之间的相关关系模 型 对一般铁矿山而言 矿石开采的损失率和贫 化率之间存在着一定的相关关系 贫化率大 损 失率相应地就会变小 因此 建立贫化率与损失 率之间的关系模型 就可以将不同边界品位和工 业品位方案下的矿石储量和平均品位动态地转 化为采出矿量和采出品位 3 建立以磨矿细度为自变量求解选比和精 矿品位的数学模型 理论上而言 选矿的磨矿细 度越高 选矿比及最终的精矿品位会越高 磨矿 细度高意味选矿要花费更多的矿石处理费用 选 比大则选出的精矿量就少精矿品位高则烧结 球团乃至炼铁的效益会大大提高 因此 根据选 厂生产的历史资料或相应类型矿石的选矿实验 数据 建立这两种数学模型 就可以对整个矿业 系统从原料 储量 到产品 精矿 的数量 精矿 量 质量精矿品位进行全程动态的把握 从而 为计算不同方案下的动态经营目标铺平道路 4建立烧结矿和球团矿的产量和成本模型 根据烧结矿 球团矿生产过程中物料平衡的原理 及烧结矿 球团矿各自的成本要素构成分别建立 其产量和成本模型 Q K FC S Y4 Q KC S Y5 PK p1f p2Cp3X6 P K p1 P p4X7 式中,Q 为烧结矿产量 Q 为球团矿产量K为铁 矿粉 铁精矿 和各种含铁原料用量F为石灰 石 白云石等熔剂的用量 C为焦粉 无烟煤粉等 燃料的用量 S为以上三种原料中的烧损量 Y为 烧结过程中氧的变化量 P 为烧结矿的成本 P 为 球团矿的成本 K为含铁料的单耗 p1为含铁料的 单价 f为熔剂的单耗 p2为熔剂的单价 C为燃料 的单耗 p3为燃料的单价 X为单位烧结矿的加工 费 P为膨润土单耗 p4为膨润土单价 有了上述模型即可针对特定的铁精矿 由 前述选矿模型计算得到的计算能够得到的烧 结矿量 球团矿量及相应的烧结成本 球团成本 5建立生铁产量及成本模型 根据铁平衡的 原理 在已知含铁原料烧结矿 球团矿或天然块 矿供应量的条件下 求出生铁的产量 I T Z DL8 式中, I 为铁矿燃料 熔剂带来的 Fe T 为生铁 中含 Fe 量 Z 为炉渣中含 Fe 量 D 为炉尘中含 Fe 量 L 为铁的机械损失量 根据生铁的成本构成要素 即可构造生铁的 成本模型 求出生铁的成本 CK j1 F j2 R j3J9 式中,C为生铁成本 K为含铁原料的单耗 j1 为含铁原料的单价F为熔剂的单耗 j2为熔剂 的单价R为燃料的单耗 j3为燃料的单价 J为 每吨生铁的加工费 6编制综合技术经济模型进行经济分析 将 矿山采剥 掘 计划 采选成本参数 与烧结 球 团 炼铁有关的各种辅助原料的用量 价格等参 数 相关的税赋指标及上述各种模型等进行有机 的衔接 就可以计算对应于不同边界品位 工业 品位 损失率 贫化率 磨矿细度方案的总利润 净现值和生铁产量 7进行各方案的多目标优化决策 [3-7] 对以上 计算得到的不同方案的目标值 采用模糊综合评 判或其他数学方法 进行多目标的综合对比 找 出总目标最优的方案 该方案所对应的精矿品位 即是合理精矿品位 2系统的设计及实现 基于以上确定合理精矿品位的原理和方法 系统设计遵循软件工程学的基本原理 经历了软 件计划 用户需求分析 系统总体设计 系统详细 设计及编码调试等几个主要的阶段和过程 采用 结构化程序设计技术 以尽可能少的基本逻辑结 构 易于识别的基本逻辑结构组合 简单单一的 模块出入口 以及易于修改和代码化为目标 在 确定系统边界的基础上 合理地划分系统的各个 功能模块 并对流入 流出系统的数据及各类数 据在系统内的流程进行分析 从而实现以各种动 态模型的构造为核心 以综合技术经济分析模型 的构造为最终目标的系统结构 系统的主要模块 及其功能包括以下几个方面 1储量品位建模模块 建立有关矿体储量 平均品位与矿床工业指标之间的动态关系模型 该模块包括频率统计数据平滑储量和平均 品位的计算 储量和平均品位的回归等六个次级 模块 2回归优选模块 该模块是一个公用模块 116 20051 可被系统中任何层次上的功能模块所调用 主要 用于建立各生产环节中主要技术指标之间的动 态关系模型 3损失贫化建模模块 主要用于建立采矿过 程中矿石的贫化率和损失率之间的动态关系 模型 4选矿建模模块 主要用于建立选矿工艺流 程中输入数据与输出数据之间的动态关系模型 包括预选选比建模 预选精品建模 选别选比建 模 选别精品建模等四个次级模块 5综合技术经济分析模块 通过对上述各主 要动态关系模型及相关技术经济参数的有机链 接 实现对采矿 选矿 烧结 球团及炼铁生产过 程中与优化决策目标有关的技术经济目标值进 行系统测算并完成不同生产经营条件 方案 下包括铁精矿品位等系列经营参数的综合寻优 工作 系统的实现过程就是对系统进行编码和调 试的过程 研究中以独立的功能模块作为编码的 基本单位采用面向对象的程序设计语言 Visual Basic 作为构筑各种动态数学模型的工具这些 数学模型的建立均采用菜单驱动技术 用户只须 对系统的提示和问答做出响应即可 构筑各种数 学模型之后 借助OLE技术来实现各种模型参数 与综合技术经济分析模块的有机集成 用户只要 按照系统的要求在相应的单元内输入必要的技 术经济参数即可实施各决策目标的测算工作 进而进行各目标的方案对比分析 从而确定出待 优化对象的合理精矿品位 3应用示例 某钢铁公司所属露天铁矿计划年采表内矿 石830万t 目前采用的矿床品位指标为边界品位 20 工业品位25 采矿的损失率为6 贫化率 为7 选厂为单一磁选流程 破碎系统为三段一 闭路 主流程具有阶段磨矿 多段选别 细筛闭路 自循环工艺 尾矿强化磨矿 再选的特点 目前的 磨矿细度为200 目占 80 精矿品位为 68.20 约70的精矿供烧结厂 其余的供球团厂 此外 为了满足生产的需要 该公司通过外购 进口等 方式补充318 万t高品位原矿精矿给烧结厂 97 万 t 高品位原矿精矿给球团厂 烧结和球团产 品全部供炼铁厂 从该公司的实际情况来看 在露天开采境界 内尚有一部分未被利用的表外矿和极贫矿 而选 厂目前尚有相当大的富余处理能力 那么在外购 矿数量基本稳定的情况下 从公司整体利益和充 分利用资源的角度出发 这部分未被利用的矿石 是否可以加以利用 选厂的最终精矿品位应该保 持在什么样的水平上才能使公司的整体效益达 到最佳 就成了公司决策层进一步制定公司发展 战略合理分配矿山和炼铁部门利益的重要依 据 本例即是通过应用合理精矿品位综合优化技 术 对这种可能性进行进一步的技术经济论证 1矿床储量及平均品位模型 利用储量品位 建模模块确定该矿体的储量和平均品位模型 如下 Q c1,c2Q03.978311 0.364739c10.078905c2 0.012892c1 20.009719c 1c20.000437c2 2 0.000062c1 3 0.000384c1 2c 2 0.000096c1c2 2 0.000020c2 3 10 C c1,c225.4904550.699487c10.288061c2 0.010904c1 2 0.053560c1c20.008474c2 2 0.000659c1 30.002336c 1 2c 2 0.000666c1c2 2 0.000053c2 3 11 2开采损失率和贫化率关系模型 利用损失 贫化建模模块经过对历年生产数据的统计分 析 发现它们的相关关系为 y0.161673 0.119929x12 其中, x为损失率 y为贫化率相关检验值 R 0.7968 满足大于其临界值r56 0.7354的要求 有了储量模型和损失率贫化率模型参照 矿山现行的采剥计划 即可通过计算得到不同品 位指标和损失率 贫化率指标下的采出矿量和采 出品位 3选矿模型 利用选矿建模模块 通过对选 厂生产数据的统计分析 磁滑轮预选选比和预选 精矿品位与采出品位的数学模型为 预选选比y 1 0.3081830.34552x 13 F检验 F98.4587,F5206 3.88739 预选精矿品位y 1 30.89917 3.88826x2 14 F检验 F212.4568, F5206 3.88739 其中x为采出入选品位 预选后矿石进行最终选别 其选比和精矿品 位模型分别为 y1/ 4.028 19.5x15 y69.3941710000000000000/x916 Vol.27 No.1李克庆等 铁精矿品位优化通用系统117 其中, x为磨矿细度 200 目所占比例 4烧结 球团矿及生铁产量模型 烧结 球团 矿及生铁产量的计算是一项对参与生产过程的 各种原料及燃料 熔剂等的物理和化学平衡的复 杂计算过程 研究中主要依据上述公式4,5及 8的概念模型 构筑了相应的框架系统 在实际 应用时则是通过对具体研究对象的详细分析 将 相关参数 如燃料 熔剂的成分数据 单耗数据等 输入该系统 由系统自动完成各作业工序中物质 成分和数量的动态运算 限于篇幅 该运算过程 没有列出 5 方案分析在构筑了上述地质储量和品 位采出矿量和采出品位预选精矿量和预选 精矿品位最终精矿量和精矿品位生铁产量 的动态数学关系模型之后 即可根据系统的提示 设置寻优范围 方案 和生产约束条件 设置结果 如表和表所示 应该公司的要求 研究只对短期内的铁精矿 合理品位进行测算所以暂不考虑净现值目标 因此方案的优化决策目标定为总利润 权重 0.77 精矿总量权重 0.23和净现值权重 0 完成寻优方案 生产约束及决策目标权重的 设置后 按系统的要求 用户需进一步输入公司 实际的相关经济和财务数据 这样 系统即可自 动完成所有方案下各决策目标的分析测算 并进 行指标之间不同组合方案的多目标优化决策和 方案输出表 3 是部分指标和方案的输出结果 其中方案 1 为最优方案 方案 206 为现行方案 6优化结果分析 由表 3 的方案分析结果可 以看出当将边界品位从 20调整为 18 工业 品位从 25调整为 23开采损失率保持不变 磨矿细度提高0.5时 可使铁精矿品位适当提高 0.27 而生铁总量和年利润税前均有所增加 分别增加12874t和1139万元 究其原因 表外矿 的回收并未增加采 选的固定费用 只会使其变 动费用有所增加 且由于运矿距小于运岩距 总 表 1 各技术指标变动范围评价方案设置表 Table 1 Change scopes appraisement scheme of main technical inds 寻优指标下限上限变动步长 边界品位/20 221 工业品位/24 261 损失率/ 681 磨矿细度200 目/ 70850.5 烧结矿碱度1.61.80.1 炉渣碱度1.01.20.05 表 2 生产条件约束表 Table 2 Restraints of producing condition 约束指标下限上限 烧结矿 MgO/2.00 2.50 炉渣 MgO/8 10 石灰石白云石030 表 3 合理铁精矿品位多目标优化决策方案输出表 Table 3 List of multi-objective optimization schemes about reasonable iron concentrate grade 方案 排序 边界品 位/ 工业品 位/ 磨矿细度 200 目/ 精矿品 位/ 供烧品 位/ 供球品 位/ 入炉品 位/ 焦比生铁产量/t 利润/万元 评判 指标 1182380.568.5667.9768.5662.31321.758166572242200.9715 2182381.068.6168.0168.6162.33321.458150452242920.9715 3182380.068.5267.9368.5262.29322.058182382241280.9710 4182381.568.6568.0468.6562.35321.158134062243440.9708 5182379.568.4667.8968.4662.26322.3581197832240130.9698 6182480.568.5667.9768.5662.31321.751861132241800.9697 7182382.068.6968.0768.6962.37320.958117422243790.9697 8182481.068.6168.0168.6162.33321.458145022242520.9696 9182480.068.5267.9368.5262.29322.058176932240880.9692 10182481.568.6568.0468.6562.35321.158128632243050.9690 11182382.568.7368.1068.7362.38320.658100582243970.9680 206202580.068.290.680.690.62322.158037832230800.9222 注 损失率为 6, 烧结碱度为 1.6, 炉渣碱度为 1.05 . 118 20051 采矿费甚至有可能减少磨矿细度的适当提高 保证了铁精矿输出品位的提高和炼铁效果不至 恶化 因此 从总体来看 公司应着眼于尽可能地 多回收贫矿资源 并适当地提高磨矿细度 从而 使矿山及炼铁系统的整体效益趋于最大化 4结束语 铁精矿既是矿山生产的最终产品 又是炼铁 生产的主要原料 其质量考核指标的合理与否将 直接关系到矿山和炼铁生产系统各自的利益 站 在矿山–炼铁大系统的角度确定能够反映整个 系统总体经济效益和资源效益最佳的铁精矿品 位指标 是各大矿冶联合企业在当前开放的资源 和技术市场条件下必须解决的问题 [4] 铁精矿品 位动态优化技术及通用系统的研究 正是为了满 足这种需要而开展的一项技术研究工作 该系统 的开发和推广将为矿冶主管部门提供决策依据 为各级生产部门提供有力的技术支持 参 考 文 献 [1] 董藏海 关于钢铁企业确定合理铁精矿品位的探讨. 冶金 经济与管理, 19976 21 [2]王义达 周伟 袁怀雨 矿山经营参数整体动态优化系统 的研究. 金属矿山, 200310 10 [3] 石云良 麦笑宇 曹佳宏等 铁精矿品位的多目标优化. 矿 冶工程, 2003, 232 46 [4] 袁怀雨 胡永平 李克庆 采用高效选矿技术,提高和优化 铁精矿品位. 金属矿山, 200112 12 [5]胡永平 薄志平 袁怀雨等 铁精矿品位的多目标优化决 策. 金属矿山, 199712 25 [6] 蔡九菊 陆钟武 王睿利 关于铁精矿合理品位的研究. 钢 铁, 1996, 3112 1 [7]赖祥璞 刘世光 慕娟 模糊数学综合评判法在确定合理 精矿品位中的应用. 矿冶, 1999, 83 25 General optimization system of iron concentrate grade LI Keqing, QIN Yuanping, LIU Baoshun, YUAN Huaiyu Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACTOn the basis ofthecomprehensiveanalysis of majortechnical factors affecting iron concentrate gra- de index, the basic thought and to optimize iron concentrate grade index are proposed by taking technical and economic factors into account, establishing a dynamic mathematic model and adopting multi-objective optimi- zation decision-making techniques. The basic design and main functions of the iron concentrate grade op- timization system built according to the thought are introduced and the main operating steps are mplified. KEY WORDS concentrate grade; optimization; multi-objective decision-making