田欣 龐清海 何志軍 張軍紅 金永龍

(1．唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司;2．遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院)

0 引言

高爐冶煉是煉鐵系統(tǒng)中能源消耗最大的工序，約占整個(gè)煉鐵工序能耗的50%左右［1］。提高高爐冶煉過(guò)程的穩(wěn)定性，減少高爐爐況波動(dòng)對(duì)燃料消耗的影響，可有效降低鐵水的冶煉成本，對(duì)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。高爐煉鐵是在密閉容器內(nèi)進(jìn)行大量復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，高爐內(nèi)部冶煉過(guò)程具有連續(xù)性和不可視性，生產(chǎn)者僅能通過(guò)外界儀器和儀表參數(shù)信息，利用經(jīng)驗(yàn)對(duì)高爐內(nèi)的情況進(jìn)行判斷。通常根據(jù)鐵水的硅含量對(duì)鐵水溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而判斷高爐爐缸內(nèi)部的熱狀態(tài)［2］。如果生產(chǎn)過(guò)程中鐵水的硅含量波動(dòng)較大，則說(shuō)明高爐內(nèi)部熱狀態(tài)不穩(wěn)定，很可能給高爐穩(wěn)定順產(chǎn)造成困難，導(dǎo)致原料和燃料的大幅消耗。因此，提高高爐生產(chǎn)過(guò)程中鐵水硅含量的穩(wěn)定性，可通過(guò)控制原燃料消耗而實(shí)現(xiàn)成本的降低。數(shù)據(jù)挖掘是指從數(shù)據(jù)庫(kù)的大量數(shù)據(jù)中揭示出隱含的、先前未知的、并有潛在價(jià)值信息的非平凡過(guò)程［3－6］。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在煉鐵自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，技術(shù)亦日趨成熟，在模擬高爐現(xiàn)象、分析操作參數(shù)對(duì)爐況和冶煉指標(biāo)的影響等方面發(fā)揮了巨大的作用［7］。六西格瑪是十分成功的質(zhì)量管理方法之一，六西格瑪?shù)暮诵睦砟畈粌H是一個(gè)質(zhì)量上的標(biāo)準(zhǔn)，而旨在使企業(yè)在持續(xù)改進(jìn)業(yè)務(wù)流程中不斷追求完美的產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量［8－9］。我國(guó)寶鋼和武鋼等大型鋼鐵企業(yè)已成功引進(jìn)六西格瑪技術(shù)，并在節(jié)能減排和成本控制等方面取得了顯著成果。本研究針對(duì)唐鋼2500 m3高爐鐵水硅含量頻繁波動(dòng)的情況，運(yùn)用Minitab 軟件對(duì)唐鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，提高鐵水硅含量的穩(wěn)定穩(wěn)定性，維持唐鋼高爐的穩(wěn)定順產(chǎn)，對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗和成本控制具有重要實(shí)際意義。

1 理論研究方法

針對(duì)唐鋼高爐生產(chǎn)中鐵水硅含量頻繁波動(dòng)的難題，通過(guò)六西格瑪管理技術(shù)對(duì)唐鋼的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，找出主要影響硅含量水平的諸多因素，通過(guò)對(duì)影響因素進(jìn)行調(diào)控來(lái)降低鐵水硅含量對(duì)唐鋼高爐生產(chǎn)的影響。技術(shù)方案的具體流程圖如圖1 所示。

2 高爐鐵水硅含量的穩(wěn)定性分析

對(duì)唐鋼北區(qū)2500 m3高爐2012年現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從每月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)中連續(xù)抽取5個(gè)數(shù)據(jù)，建立w［Si］均值與標(biāo)準(zhǔn)差(Xbar－S)的控制圖，如圖2 所示。

圖1 技術(shù)方案流程圖

圖2 唐鋼2500 m3 高爐2012年w［Si］的波動(dòng)

由圖2 可以看出，2012年w［Si］的標(biāo)準(zhǔn)差S 最大值為0．06，而最小值僅為0．008，說(shuō)明2012年北區(qū)2500 m3高爐鐵水的硅含量整體波動(dòng)較大。其中1 ～7月份w［Si］的均值波動(dòng)最為顯著，而4月份的w［Si］數(shù)值更是超出控制要求的下限，這說(shuō)明此座高爐爐缸的熱穩(wěn)定性較差，頻繁的熱量波動(dòng)將會(huì)對(duì)高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。為了維持高爐長(zhǎng)期的穩(wěn)定順產(chǎn)，需對(duì)高爐w［Si］穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行分析，從而通過(guò)相應(yīng)措施來(lái)提高高爐熱制度的穩(wěn)定性。

圖3 唐鋼2500 m3 高爐2012年w［Si］標(biāo)準(zhǔn)差的變化

3 鐵水硅含量影響因素的確定

圖4 魚骨圖

通過(guò)頭腦風(fēng)暴法，利用魚骨圖從原燃料質(zhì)量、入爐控制、爐內(nèi)參數(shù)、噴吹控制等多個(gè)方面對(duì)鐵水w［Si］含量的變化進(jìn)行分析，對(duì)所有可能影響w［Si］的因素進(jìn)行篩選，與w［Si］含量相關(guān)的因素如圖3所示。對(duì)上述選取的因素進(jìn)行相關(guān)性分析和失效矩陣分析，從而得到影響w［Si］的主要因素，包括熱風(fēng)溫度，料柱透氣性，熱風(fēng)壓力，爐內(nèi)壓差，燒結(jié)礦品位，鐵水溫度和物理熱指數(shù)等。

4 高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回歸分析

運(yùn)用Minitab 軟件對(duì)上述影響w［Si］的主要因素逐一進(jìn)行回歸分析，從而得到如下模型:

式中:t—熱風(fēng)溫度，℃;P— 熱風(fēng)壓力，kPa;ΔP— 壓差，kPa;λ—燒結(jié)礦品位，%;T—鐵水溫度，℃;Ktp—物理熱指數(shù)。

回歸數(shù)據(jù)分析和方差分析分別見(jiàn)表1 和表2。

表1 回歸分析數(shù)據(jù)

表2 方差分析數(shù)據(jù)

通過(guò)上述模型的建立，由表2 方差分析結(jié)果可知P=0．000 ＜0．05，說(shuō)明回歸效果顯著。并得到S(σ 的估計(jì)量)為0．0044，R －Sq(多元全相關(guān)系數(shù))=99． 0%，R － Sq(調(diào)整后的多全相關(guān)系數(shù))=98．8%，即熱風(fēng)溫度，熱風(fēng)壓力，壓差，燒結(jié)礦品位，鐵水溫度，物理熱指數(shù)等對(duì)w［Si］的綜合影響貢獻(xiàn)率達(dá)到98．8%，且R－Sq和R－Sq(調(diào)整)二者差距較小，說(shuō)明模型精確度較高。對(duì)上述建立的w［Si］回歸模型進(jìn)行殘差分析，分析結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8 所示。

圖5 殘差的正態(tài)概率圖

圖6 殘差與擬合值

圖7 殘差的直方圖

圖8 殘差與觀測(cè)值

由圖5 ～圖8 中數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)趨于正態(tài)、隨機(jī)分布，無(wú)傾向性，無(wú)異常狀態(tài)，模型有效。以上分析結(jié)果表明，影響w［Si］的主要因素有熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)壓力、爐內(nèi)壓差、燒結(jié)礦品位、鐵水溫度、物理熱指數(shù)。其中，熱風(fēng)溫度、壓差、燒結(jié)礦品位、物理熱指數(shù)等參數(shù)與w［Si］的變化存在正相關(guān)關(guān)系，而熱風(fēng)壓力、鐵水溫度則對(duì)w［Si］有負(fù)相關(guān)的影響，上述各項(xiàng)參數(shù)對(duì)w［Si］影響的貢獻(xiàn)率達(dá)98．8%。因此，可以通過(guò)調(diào)控上述影響因素來(lái)降低鐵水硅含量的波動(dòng)。

5 工藝改進(jìn)與參數(shù)調(diào)控

對(duì)于2012年唐鋼2500 m3高爐w［Si］波動(dòng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，2013年采取改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了鐵水硅含量波動(dòng)穩(wěn)定。建立熱風(fēng)溫度，熱風(fēng)壓力，壓差，燒結(jié)礦品位，鐵水溫度，物理熱指數(shù)的時(shí)間序列模型如圖9、圖10、圖11 所示。

圖9 熱風(fēng)壓力和壓差的時(shí)間序列圖

由圖9 可以看出，2012年熱風(fēng)壓力在292 kPa～326 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，壓差在115 kPa ～133 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，壓差的大幅波動(dòng)會(huì)對(duì)高爐內(nèi)部透氣性帶來(lái)很大影響，進(jìn)而影響高爐順行，造成鐵水硅含量波動(dòng)不穩(wěn)定。2013年通過(guò)調(diào)整送風(fēng)制度，將熱風(fēng)壓力和壓差控制在較穩(wěn)定的的水平，熱風(fēng)壓力在30 kPa～315 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，壓差在117 kPa ～127 kPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖10 熱風(fēng)溫度和鐵水溫度的時(shí)間序列圖

由圖10 可以看出，2012年熱風(fēng)溫度在1135 ℃～1196 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，鐵水溫度在1481 ℃ ～1512 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，鐵水溫度的波動(dòng)直接影響鐵水硅含量的穩(wěn)定，它們有正相關(guān)關(guān)系;熱風(fēng)溫度對(duì)理論燃燒溫度有很大影響，因此，熱風(fēng)溫度的大幅波動(dòng)會(huì)帶來(lái)爐內(nèi)熱狀態(tài)的不穩(wěn)定，進(jìn)而造成w［Si］的不穩(wěn)定。因此，2013年采取措施將熱風(fēng)溫度和鐵水溫度控制在較穩(wěn)定的水平，熱風(fēng)溫度在1181 ℃ ～1200 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，鐵水溫度在1493 ℃～1508 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖11 燒結(jié)礦品位和物理熱指數(shù)的時(shí)間序列圖

由圖11 可以看出，物理熱指數(shù)在2012年7月份至2013年6月份維持較高水平且較穩(wěn)定，這對(duì)穩(wěn)定w［Si］和低硅冶煉是很有利的;2012年燒結(jié)礦品位波動(dòng)很不穩(wěn)定，且燒結(jié)礦品位由2012年至2013年不斷下降，因此，為穩(wěn)定高爐鐵水的硅含量，要求燒結(jié)生產(chǎn)工序應(yīng)盡可能提高和穩(wěn)定燒結(jié)礦品位。

2013年1 至6月唐鋼2500 m3高爐w［Si］波動(dòng)及其標(biāo)準(zhǔn)差變化分別如圖12 和圖13 所示。

由圖13 可以看出，鐵水硅含量在2013年1 ～6月份控制較穩(wěn)定，鐵水硅含量的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)也比較小，標(biāo)準(zhǔn)差均值為0． 025，較2012年下降7%。因此，針對(duì)唐鋼2500 m3鐵水高爐鐵水硅含量波動(dòng)不穩(wěn)定的情況，利用六西格瑪技術(shù)查找影響因素，并通過(guò)改善影響因素來(lái)穩(wěn)定鐵水硅含量是可行的，為高爐穩(wěn)定順產(chǎn)，節(jié)能降耗提供了保障。

6 結(jié)論

1)對(duì)2012年唐鋼2500 m3高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，確定了影響鐵水硅含量的主要因素，包括熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)壓力、爐內(nèi)壓差、燒結(jié)礦品位、鐵水溫度和物理熱指數(shù)等。鐵水硅含量影響有效性分析結(jié)果表明，上述因素對(duì)硅含量的綜合影響率為98．8%。

2)通過(guò)工藝優(yōu)化穩(wěn)定了影響鐵水硅含量的主要因素，將熱風(fēng)壓力控制在305 kPa ～315 kPa，壓差控制在117 kPa ～127 kPa，熱風(fēng)溫度控制在1181 ℃～1200 ℃，鐵水溫度控制在1493 ℃～150 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，2013年高爐鐵水硅含量標(biāo)準(zhǔn)差相比2012年降低7%。

圖12 唐鋼2500 m3 高爐2013年1 至6月w［Si］的波動(dòng)

圖13 唐鋼2500 m3 高爐2013年1 至6月w［Si］標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)

3)利用六西格瑪管理技術(shù)對(duì)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可建立多元復(fù)雜工藝參數(shù)之間的隱性關(guān)系，對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定和順產(chǎn)具有十分必要的實(shí)際意義。

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