關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

（本溪鋼鐵集團礦業有限責任公司石灰石礦，遼寧 本溪）

石灰石是一種廣泛應用的非金屬礦產資源，在近現代工業中，如水泥生產、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資源之一[1]。礦山生產應遵循“開采方式科學化、資源利用高效化、企業管理規范化、生產工藝環保化、礦山環境生態化”的基本要求，努力實現礦山發展的資源效益、環境效益和社會效益的協調統一，資源開發與環境保護并舉，礦山發展與社區繁榮共贏[2-3]。配礦是綜合衡量礦山的生產需求及礦山的生產能力對礦石質量進行混合的系統工程，通過配礦，可實現礦石入選品位穩定化，對改善后期的產品質量，提高礦石回收率，企業降本增效有著巨大的益處[4]?，F如今，要走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化道路, 數字化、信息化、智能化是發展的必然趨勢[5]。

本鋼石灰石礦活性灰原料完全采用外購礦石，較為穩定的廠家有六家，品種按粒度區分為兩種，主要是根據不同窯型而定。25～45 mm 為回轉窯原料，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。入窯前沒有質量檢驗數據，沒有目標地進行質量綜合配比。因此，很容易造成活性灰產品質量波動。為了實現產品質量穩定，滿足高爐生產需要，應用運籌學的線性規劃理論，建立原料配礦專家數學模型，通過信息化網絡平臺，下達配礦指令，通過白灰車間鏟運工段實現窯前配礦。

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，檢斤計量已經進入網絡平臺，火車還沒有實現。儲料場主要在南山礦區按品種自然堆放，在窯前有一個不標準的料場。質檢單位是礦化驗室，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，作為進廠原料質量判定的依據。由白灰車間鏟運工段負責倒裝運輸。進廠原料控制質量標準：CaO≥53% ；煅燒后成品活性灰合格品標準：CaO≥88.3%。

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

1 入窯原料質量標準確定

我礦活性灰生產組織質量控制指標，設定在CaO≥88.5% 。由于采樣化驗地點設定在用戶單位料場。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 年活性灰生產樣質量與產品樣質量對照。

表1 2012 年1-9 月活性灰生產樣與產品發出樣對照

考慮上述原因我礦控制煅燒后生產質量樣品CaO 應該在CaO≥90.0%。

按成品CaO=90.0%進行生產組織通過線性回歸計算推導原料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2011 年1 月進行的《礦石與成品灰對應關系的煅燒實驗》總結得出的。此時是沒有考慮煅燒因素影響的理想狀態。實際上由于原料雜質、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 雜質對生石灰煅燒的影響

石灰石原料中經常拌生有二氧化硅，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）。二者反應從800 ℃開始。這樣，會造成CaO 的損失。

其它雜質對煅燒影響較小，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，原料粒度對應有兩種，25～45 用于 回 轉 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，因此在窯內粒度較小的煅燒比較快，如果繼續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系

1.3 風量對生石灰煅燒的影響

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

石灰石煅燒化學反應如下：

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量指標控制，但是，各家每次來量數量和質量隨機性較大，因此，必須加大質量控制密度和頻次，加強過程控制手段。改善化驗設施，提高質量控制水平。本次應用線性規劃理論建立配礦模型，應用信息化網絡平臺，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：要求“效益最佳”, CaO 加權綜合品位趨近于53.48%。

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

配礦手段是白灰車間鏟運工段，運輸倒裝汽車標載22 t，共5 臺。一般情況單班出車2 臺。配礦指令結果見表3。

表3 鏟運指令結果

我礦單車檢斤計量數據已經進入網絡，質量數據與時間段的檢斤量可實現一一對應，通過網絡進行數據錄入。配礦專家模型的基礎數據主要是原料質量數據，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錄入窗體

圖3 石灰石日檢斤數據錄入窗體

3 結論

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。配礦專家模型經過實踐驗證后，便可通過計算機語言實現，在石灰石礦信息網的《日生產作業計劃管理》中，給出優化后的指令。然后，鏟運倒裝工段依據指令進行分裝倒運，在窯前料廠進行綜合配比，控制均衡的入窯原礦質量，在穩定的煅燒工藝條件下得到質量穩定的活性灰產品。為鋼鐵冶煉提高配料精度提供先決條件。