一、研究的背景与问题
1、建立多元化原料供应体系，事关国家战略资源安全。
我国优质铁矿资源十分匮乏，且开采成本高昂，导致铁矿石问题突出，对外依存度长期维持在80%以上。在未来，全球铁矿石供应的竞争格局仍将延续，因此，有效稀释铁矿资源集中度、建立多元化原料供应体系、推进期货市场建设等举措，对于保障国家战略资源安全意义重大。构建基于一体化配矿技术的港口混矿模式，能够充分依托港口的资源与物流优势，打造更为灵活的矿石供应模式，同时塑造国产混矿品牌，平衡四大矿山与非主流矿山的产品供应，逐步提升我国在国际矿石贸易中的话语权。
图1 中国铁矿对外依存度及国家战略政策
2、配矿降本增效，新形势下全行业的共同期待
钢铁企业建设原料场和混匀设施面临诸多挑战，不仅占地面积大、投资成本高，而且环保要求严格。港口混矿模式可以结合区域用矿特点，推出标准混矿和定制化混矿产品，减少钢铁企业的重复投资。从成本结构来看，铁水成本占钢铁全流程的75%，配矿原料又占铁水成本50%以上，配矿已然成为钢铁企业的核心竞争力之一。然而，传统的单工序“孤岛式”经验配矿，难以获得铁前全流程整体最优的配矿方案，因此，一体化、智能化配矿寻优是铁前深度挖潜的关键，也是港口集约化混矿模式的基础。
图2 炼铁在全流程钢铁企业成本、能耗及排放占比
3、基于一体化配矿技术的港口集约化混矿是有力抓手，但面临四大技术难题
首先，传统的配矿技术的研究主要集中在单工序分段优化方面，铁区跨工序协同的一体化配矿技术体系尚未形成，存在技术空白，一体化配矿技术开发缺少核心架构支撑。其次，目前的模型算法在面临多工序、多目标、非线性规划问题时存在求解难题，生产场景下还面临资源、设备、用户习惯的约束。再次，矿粉性能表征维度还不够全面，成矿机制不够清晰，缺乏统一实验平台的全尺度性能数据库用以支撑模型的开发；最后，现有混矿模式生产流程复杂、生产设备数量多、运营成本高，缺乏高效低成本混矿流程。
二、解决问题的思路与技术方案
中冶赛迪配矿技术团队构建了行业首个覆盖铁区“原料-烧结/球团-高炉”全工序协同优化的配矿技术体系。通过建立前馈预测与反馈调节相融合的一体化配矿模型架构，实现了从港口到料场、到烧结球团、进入高炉冶炼的全过程混配矿技术需求。具体技术思路如下：
1.模型架构设计：从冶金机理与数据建模协同的角度出发，设计一套一体化配矿模型架构。该架构不仅需要考虑前馈预测，还需要引入反馈调节机制，确保模型能够适应全过程的混配矿需求。
2.矿粉性能表征方法：找到矿粉高温铺展行为、矿相定量化测定等新的矿粉性能表征方法，扩展矿粉建模研究维度。通过建立统一实验平台的铁矿粉全尺度性能数据库，为后续模型构建提供了数据支持。
3.核心预测模型构建：结合工艺原理对特征参数进行研究，改善特征质量，构建烧结性能预测模型，能够准确预测烧结过程中的矿粉性能，同时构建了高炉炉况指标预测模型，能够动态评估高炉的运行趋势。
4.求解模型耦合与优化：开发求解搜索算法，能够在大规模复杂场景下高效搜索最优解，并通过耦合性能预测、反馈约束、误差追溯模型，实现一体化配矿模型的前馈预测+反馈调节，确保求解过程的高效性和生产过程的稳定性。
5.混矿加工创新解决方案：提出适用于港口的混矿加工创新解决方案，该方案结合一体化配矿技术，打造混矿新模式。
图3 以一体化配矿技术支撑不同客户配矿需求
三、主要创新性成果
一体化配矿技术相较于国内外同类技术，其创新性成果在四个关键方面尤为突出，为行业突破困境开辟了新路径。
1、在技术架构创新，项目团队成功建立了一体化配矿整体技术架构。该架构属业内首创，经行业专家鉴定，已达到国际领先水平。
2、算法模型创新，团队提出了基于矿相特征扩增的烧结性能预测模型、基于RBF神经网络的高炉炉况指标预测模型，以及基于综合评价指数的误差追溯算法。这些创新成果能够系统指导配矿与操作的精准匹配，在精度和鲁棒性等主要指标上，较国内外现有模型全面提升，处于行业领先水平。
3、针对港口混矿复杂的作业环境，创新了混矿工艺流程。首创基于短流程双料合流多级匀化机构的混矿加工工艺及流程，有效解决了港口混矿来料种类繁多、物流复杂、精度要求高的难题，为港口混矿作业提供了高效、可靠的技术方案。最为引人注目的是，项目在产业化应用方面取得了重大突破。基于一体化配矿技术体系，在全球范围内率先建成千万吨级港口精混铁矿石中心，该中心已连续五年稳定生产运营，通过产业实践，不仅产生了显著的经济效益，还为行业绿色可持续发展探索了一条新路。
一体化配矿技术凭借其独特优势，不仅能确保矿源优势互补，还为配矿方案的灵活调度与柔性生产提供了有力支撑。在实际应用中，通过一体化配矿模型设计混矿产品方案组，从成分、粒度到性能等多个维度，克服了港口到货时间不固定以及矿粉品质不稳定等难题。通过这种柔性的方案决策，实现了产品的稳定输出，为企业生产的连续性和稳定性奠定了坚实基础。
图4 全球矿源性能互补的港口集约化混矿模式
四、应用情况与效果
该技术始终以客户需求为导向。根据客户在烧结、球团、高炉生产中的技术要求、产线能力，构建模型边界，定制化设计不同模式下的精混产品。此外，基于先进的追溯模型，还能为客户提供多工序配矿方案执行匹配服务，在保障客户配矿经济性的同时，进一步提升了生产的稳定性。2020年3月至今，支撑五矿曹妃甸公司销售混匀粉近千万吨。所配精混产品先后销售至唐山地区等多家大型钢铁企业。助力五矿标准粉品牌建立，打造了国产混矿期货交割品牌。
图5 五矿曹妃甸千万吨级国际混矿中心鸟瞰图
五矿一体化配矿混匀粉具有质量稳定、性能优异的特点。2021年1月，唐山地区某钢铁企业引入一体化配矿技术。使用一体化配矿混匀粉后有效减少了原料波动，Fe品位波动显著降低，烧结矿硅含量更加稳定，碱度合格率提高2%，为烧结矿产品质量稳定提供了有力支持。不仅如此，生产的烧结矿具有更优的冶金性能，转鼓强度、还原性和低温还原粉化率指标显著改善，为高炉炉况长期稳定建立了基础。项目应用企业平均燃料比降低1%，实现了良好的经济和社会效益，为行业集约化、系统性降碳增效开创了新模式。
信息来源：中冶赛迪集团有限公司
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