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钢铁产品作为现代社会建设不可或缺的材料,在经济发展中发挥着重要的作用。中国的钢铁工业在经历了迅猛发展后,正面临着产能过剩、产品竞争力低、吨钢综合能耗过高、产品利润率低等问题。高炉—转炉流程是现代钢铁生产的主流程,其中高炉工序能耗约占整个生产流程能耗的70%以上,其生产成本约占整个流程成本的50%以上,因此,降低高炉工序的能耗和原料生产成本对整个生产流程的节能降耗、增加产品利润具有重要意义。高炉生产需要将各种规格的铁矿石、焦炭按一定的比例从炉顶加入到高炉内,含铁炉料主要有不同规格的烧结矿、球团矿以及块矿。由于不同规格的矿石成分不同,价格差异很大,如何确定不同规格矿石的使用比例,使炉料结构既满足生产工艺要求,同时还能满足较低的生产成本和焦炭消耗量的要求,成为高炉生产面临的一个问题。本研究围绕高炉炉料结构优化,主要关注入炉矿石的配比以及高炉运行参数对高炉成本、焦炭使用量的影响同时对其进行优化。合理的炉料结构对高炉的生产、节能、增效均有重要意义。为了获得高炉的最佳炉料结构,本文将高炉炉体视为两个串联的反应器,以物质储备区作为两个容器的边界条件。本文研究了高炉内主要的化学反应,建立了高炉下部高温区质量守恒、热量平衡方程式,并建立了高炉炉顶煤气成分和流量计算式。围绕高炉生产工艺及原料、燃料条件,以数学规划方法为基础,建立了高炉生产成本优化模型,以降低高炉冶炼成本;同时分析了在最优生产成本下,影响铁水成本、焦炭以及喷煤消耗量的主要因素。研究结果表明,提高炉身工作效率能明显降低生产成本,生产一吨铁水,吨铁可降低成本197元;随着鼓风温度的提高,焦炭的下降率大于煤粉的上升率,高炉生产总的能耗降低。提高喷煤量需要相应的提高鼓风温度,并定量计算出鼓风温度与焦炭消耗量、喷煤量、能源物质消耗量间的关系。当炉身工作效率为100%时,鼓风温度每上升100K,煤粉喷入量可以增加5kg/t,焦炭消耗量减少18kg/t。维持高炉正常工作的最低焦炭量为290kg/t,效率每升高10%,焦炭消耗量降低33kg/t,煤粉喷吹量增大5kg/t。