關(guān)于石灰石礦活性灰原料配礦專家模型的建立

李蘭彬，劉東生

（本溪鋼鐵集團礦業(yè)有限責任公司石灰石礦，遼寧 本溪）

石灰石是一種廣泛應(yīng)用的非金屬礦產(chǎn)資源，在近現(xiàn)代工業(yè)中，如水泥生產(chǎn)、玻璃制造、煉鐵等都離不開石灰石的參與，是21 世紀最具活力的綠色礦產(chǎn)資源之一[1]。礦山生產(chǎn)應(yīng)遵循“開采方式科學化、資源利用高效化、企業(yè)管理規(guī)范化、生產(chǎn)工藝環(huán)?；⒌V山環(huán)境生態(tài)化”的基本要求，努力實現(xiàn)礦山發(fā)展的資源效益、環(huán)境效益和社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，資源開發(fā)與環(huán)境保護并舉，礦山發(fā)展與社區(qū)繁榮共贏[2-3]。配礦是綜合衡量礦山的生產(chǎn)需求及礦山的生產(chǎn)能力對礦石質(zhì)量進行混合的系統(tǒng)工程，通過配礦，可實現(xiàn)礦石入選品位穩(wěn)定化，對改善后期的產(chǎn)品質(zhì)量，提高礦石回收率，企業(yè)降本增效有著巨大的益處[4]。現(xiàn)如今，要走科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路, 數(shù)字化、信息化、智能化是發(fā)展的必然趨勢[5]。

本鋼石灰石礦活性灰原料完全采用外購礦石，較為穩(wěn)定的廠家有六家，品種按粒度區(qū)分為兩種，主要是根據(jù)不同窯型而定。25～45 mm 為回轉(zhuǎn)窯原料，日均消耗量2 200 t；40～70 mm 為套筒窯原料，日均消耗量1 420 t。入窯前沒有質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，沒有目標地進行質(zhì)量綜合配比。因此，很容易造成活性灰產(chǎn)品質(zhì)量波動。為了實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，滿足高爐生產(chǎn)需要，應(yīng)用運籌學的線性規(guī)劃理論，建立原料配礦專家數(shù)學模型，通過信息化網(wǎng)絡(luò)平臺，下達配礦指令，通過白灰車間鏟運工段實現(xiàn)窯前配礦。

進廠原料運輸途徑有汽車和火車兩部分，以汽車運輸為主。汽運單車檢斤計量，檢斤計量已經(jīng)進入網(wǎng)絡(luò)平臺，火車還沒有實現(xiàn)。儲料場主要在南山礦區(qū)按品種自然堆放，在窯前有一個不標準的料場。質(zhì)檢單位是礦化驗室，采樣化驗以人工為主，化驗方式以化學分析法為主，速度較慢。按廠家每12 h 一個綜合樣，作為進廠原料質(zhì)量判定的依據(jù)。由白灰車間鏟運工段負責倒裝運輸。進廠原料控制質(zhì)量標準：CaO≥53% ；煅燒后成品活性灰合格品標準：CaO≥88.3%。

為了有效地實現(xiàn)原料入窯前質(zhì)量過程控制，應(yīng)加大采樣化驗頻次（至少1 樣品/4 h）、將進廠原料分廠家及品種分放堆積、白灰車間生產(chǎn)調(diào)度負責鏟運倒裝量的指令下達、檢斤數(shù)據(jù)上傳順暢。

1 入窯原料質(zhì)量標準確定

我礦活性灰生產(chǎn)組織質(zhì)量控制指標，設(shè)定在CaO≥88.5% 。由于采樣化驗地點設(shè)定在用戶單位料場。每天由于運輸、待裝、采樣等原因會造成CaO 成分損失。主要是氧化鈣潮解：CaO + H2O = CaO(OH)2+ Q↑

表1是2012 年活性灰生產(chǎn)樣質(zhì)量與產(chǎn)品樣質(zhì)量對照。

表1 2012 年1-9 月活性灰生產(chǎn)樣與產(chǎn)品發(fā)出樣對照

考慮上述原因我礦控制煅燒后生產(chǎn)質(zhì)量樣品CaO 應(yīng)該在CaO≥90.0%。

按成品CaO=90.0%進行生產(chǎn)組織通過線性回歸計算推導(dǎo)原料CaO 平均含量。

通過實驗歸納公式為：CaO原料=0.58CaO灰+0.66SiO2-1.73

將CaO=90%代入上式得：CaO原料=51.13%

上述公式是根據(jù)2011 年1 月進行的《礦石與成品灰對應(yīng)關(guān)系的煅燒實驗》總結(jié)得出的。此時是沒有考慮煅燒因素影響的理想狀態(tài)。實際上由于原料雜質(zhì)、粒度、窯溫、風量、煅燒時間等多種因素影響會反映在成品CaO 的含量上。

1.1 雜質(zhì)對生石灰煅燒的影響

石灰石原料中經(jīng)常拌生有二氧化硅，以單獨包裹的形成存在或均勻分布于碳酸鹽中。我礦外購石灰石中含量在0.7～1.5%。

煅燒時CaO 與SiO2開始先生成2CaO、SiO2（硅酸二鈣）直到生成2CaO、SiO2（硅酸三鈣）。二者反應(yīng)從800 ℃開始。這樣，會造成CaO 的損失。

其它雜質(zhì)對煅燒影響較小，這里不進行論述。

1.2 粒度對生石灰煅燒的影響

我礦有兩種窯型，原料粒度對應(yīng)有兩種，25～45 用于 回 轉(zhuǎn) 窯、40 ～70用于套筒窯，采用分級煅燒。但是原料粒度不可能絕對均勻，因此在窯內(nèi)粒度較小的煅燒比較快，如果繼續(xù)延長煅燒時間氧化鈣被“燒死”。石灰石煅燒速度取決于石灰石粒度和表面溫度。詳見圖1。

圖1 石灰石粒度與煅燒時間的關(guān)系

1.3 風量對生石灰煅燒的影響

在生產(chǎn)中如果通風不夠，氧氣不足，會使燃燒不完全，產(chǎn)生一氧化碳，其反應(yīng)方程式：2C+O2=2CO

石灰石煅燒化學反應(yīng)如下：

CaCO3→CaO + CO2(氣體) ↑

當CaCO3在真空條件下898 ℃時，CO2放出，直到壓力為10 325 Pa(760 mmHg)為止。

總之，由于煅燒工藝多種因素影響也會使活性灰CaO 含量降低，達不到理論值。推算上述因素影響原料應(yīng)提高2.3%。

最終得出CaO原料=53.43%。所以，入窯原料CaO必須控制在53.43%以上。

2 配礦模型建立

對于原料采購雖然有質(zhì)量指標控制，但是，各家每次來量數(shù)量和質(zhì)量隨機性較大，因此，必須加大質(zhì)量控制密度和頻次，加強過程控制手段。改善化驗設(shè)施，提高質(zhì)量控制水平。本次應(yīng)用線性規(guī)劃理論建立配礦模型，應(yīng)用信息化網(wǎng)絡(luò)平臺，下達配礦指令。表2為各家進廠石灰石檢斤量與化學成分。

表2 各家進廠石灰石檢斤量與化學成分

以25～45 mm 品種2011 年11 月8 日來料為例。

今日配礦指令要求：原礦2 200 t；平均CaO=53.48%。

設(shè)計變量Xi(i=1,2,3,4,5)五個廠家及料堆。

約束條件：① 資源約束：

② 品位約束：

2 200×53.48≤X1×53.737+X2×53.869+X3×52.91 +X4×54.11 +X5×52.897

目標函數(shù)：要求“效益最佳”, CaO 加權(quán)綜合品位趨近于53.48%。

由表2 目標差值可見X1、X2、X3、X4應(yīng)完全參與計算，求X5得515 t。

配礦手段是白灰車間鏟運工段，運輸?shù)寡b汽車標載22 t，共5 臺。一般情況單班出車2 臺。配礦指令結(jié)果見表3。

表3 鏟運指令結(jié)果

我礦單車檢斤計量數(shù)據(jù)已經(jīng)進入網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)量數(shù)據(jù)與時間段的檢斤量可實現(xiàn)一一對應(yīng)，通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)錄入。配礦專家模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是原料質(zhì)量數(shù)據(jù)，因此，必須加大采樣化驗頻次，才能準確計算各料堆入窯配比量。具體見圖2、圖3。

圖2 石灰石檢斤量與化學成分對應(yīng)錄入窗體

圖3 石灰石日檢斤數(shù)據(jù)錄入窗體

3 結(jié)論

對于配礦專家模型理論要通過實踐進行修正與補充，因為，在生產(chǎn)實踐中不確定的影響因素很多，這里不可能完全羅列出來。配礦專家模型經(jīng)過實踐驗證后，便可通過計算機語言實現(xiàn)，在石灰石礦信息網(wǎng)的《日生產(chǎn)作業(yè)計劃管理》中，給出優(yōu)化后的指令。然后，鏟運倒裝工段依據(jù)指令進行分裝倒運，在窯前料廠進行綜合配比，控制均衡的入窯原礦質(zhì)量，在穩(wěn)定的煅燒工藝條件下得到質(zhì)量穩(wěn)定的活性灰產(chǎn)品。為鋼鐵冶煉提高配料精度提供先決條件。