钢铁生产价值链分析

本文重点介绍了钢铁生产价值链中高级分析（即机器学习、数学编程和模拟）的用例。钢铁产品在我们的日常生活中发挥着重要作用，包括房地产建筑、农业设备、汽车零部件和框架、家用电器以及航空航天结构件等。

钢铁产品是从铁矿开采的铁矿石开始的漫长而全面的价值链的结果。钢铁价值链的基本步骤是：

铁球团生产
生铁生产
钢铁产量

在本文中，我重点关注扁钢产品，即用于汽车工业等进一步加工的钢卷、纵切卷或金属板叠。扁钢产品是扁钢。扁钢产品以包装卷材、分切卷材或金属板材堆的形式运输。从铁矿石到成品（包装卷或分切卷）的转变如下图所示。

钢铁价值链以及许多其他类型的最终钢铁产品还有许多其他变化。

钢铁价值链，从铁矿石到最终产品

如前所述，扁钢产品生产过程的基本步骤是铁球团、生铁铸造和轧钢生产。钢铁价值链的这些主要步骤依次发生。

磁铁矿球团工艺——从矿石到球团

铁球团生产是用铁矿石生产磁铁矿球团的过程。一般生产流程如下图所示。

铁矿石，例如来自爆破作业的岩石碎片形式，首先进行破碎。破碎是通过一系列顺序破碎机进行的。每个破碎阶段之间细粒度都会增加。定义了允许传递到下一个破碎阶段的最大岩石碎片尺寸，并且碎片在给定阶段中循环进行另一个破碎循环，直到其岩石尺寸低于定义的最大允许尺寸。

破碎后，研磨机进一步减小岩石尺寸。产生的碎片然后进入垫层和混合场，在那里进行垫层和混合过程。目的是使混合矿石具有属性。混合矿生产更加方便，提高生产效率，降低生产成本。混合过程的另一个目标是在进一步的矿石加工和精炼过程中确保均匀的矿石进料质量。这有助于正常、稳定的生产和一致的质量。

经过床层和混合后，矿石碎片经历进一步的研磨阶段。每个研磨阶段之间都部署有分离器，利用其磁性过滤越来越细的颗粒粉末。杂质和磁性铁矿石含量以这种方式分离，因此在每个阶段之后纯度都会增加。最终，一旦研磨完成，粉末混合物就被送往泡沫浮选。在这里，水、有助于分离过程的化学物质和气泡的混合物从所得污泥中去除硅酸盐等杂质。同时磁力过滤和浮选槽之间的分离逐步提高纯度。

产生的磁铁矿污泥产品储存在储罐中，废污泥则从系统中泵出，用于尾矿等废物处理。较大的废物，例如粗糙的粒状岩石碎片，通过卡车、铁路、驳船或船只运输到处置场。

储存在储罐中的有价值的磁铁矿污泥现在被加工成颗粒。首先，接地滚筒，也称为造粒滚筒，用于从干燥污泥中生产颗粒。然后对生颗粒进行预热、蒸煮和旋转冷却。这通常在窑炉中完成。

该过程的最终产品是磁铁矿球团，储存在封闭的库存区域中，然后通过铁路或驳船运输。

生铁生产——从磁铁矿球团到生铁铸件

生铁，也称为生铁铸件、生铁、粗铁或熟铁，由磁铁矿球团生产。这种铁的原料用于进一步加工成钢和钢合金。

生铁的碳含量很高。它由磁铁矿球团生产，可作为钢铁工业深加工的中间产品。它是通过在高炉中熔炼磁铁矿球团而生产的，其中加入磁铁矿球团（即精炼铁矿石）和焦炭（煤的精炼形式）。液态铁被铸造成钢锭。

生铁的碳含量约为 4% 或以上。这使得它非常脆弱。由于其脆性，其应用受到限制，主要用于下游炼钢。它还用于生产球墨铸铁，球墨铸铁的碳含量也很高，但具有延展性，因此脆性较小。

炼钢——从生铁到扁钢产品

扁钢产品以卷材、纵切卷材或板材堆的形式出售。生产从熔炉开始，例如电弧炉。一般生产流程如下图所示。

该炉用于将废钢或生铁球团熔化成液态。根据所需的材料特性添加额外的合金。例如，不锈钢含有铬。供氧可降低钢水的碳含量，添加钙可去除硫化物和氧化物。

然后将液态钢以例如连续流的形式浇铸成固态但仍然非常热的状态，然后将其切割成板坯。根据生产计划，板坯储存在板坯堆场，或直接送往热轧。第一种情况称为冷充，后者称为直接热充。直接热装是有益的，因为它消除了热轧时重新加热板坯的需要。这是针对板坯场采购的冷板坯进行的，并在热轧过程之前在再加热炉中进行。

热轧机轧制板坯的厚度。在整个轧制过程中，轧机的轧辊会经历严重的磨损。通常，板坯是在棺材形板坯轧制程序中轧制的。这里，首先轧制宽度较小的板坯，然后板坯宽度逐块增加，直到某一点。此后板坯宽度再次减小。这是出于轧辊磨损的目的，允许轧辊升温（从较低的板坯宽度到较高的板坯宽度），然后稳定轧辊热量超过某一点（减小板坯宽度）。然而，由于严重磨损，轧机的轧辊需要频繁更换。这些换辊必须进行规划，并且与直接热装一样，是重要的进度优化杠杆。

热轧后，板坯的厚度减小，并且变得更长。开始时，它们的温度约为2000摄氏度。从这样的温度开始的冷却难以控制并且不均匀。因此热轧卷材的表面是粗糙的。形状是圆形的，并不完美。这就是为什么一些热轧卷随后要在酸洗、喷砂、 酸浴和磨削生产线上进行表面处理。

热轧钢用于房地产建筑工程、农业设备、金属建筑、冲压件和汽车框架等。但其他应用需要额外的轧制步骤，即冷轧。

冷轧进一步降低了板材厚度，提高了表面质量以及钢材的强度。冷轧是在再结晶温度以下进行的。轧制过程会在钢材中产生微小的误差和破裂，并改变其结构。这提高了钢的机械性能。它还可以降低钢的弹性，可以通过退火工艺进行处理，以便在冷轧运行后进行再结晶。总而言之，这会产生更坚硬、更强韧的钢材，同时也更具柔韧性和延展性，并且具有更光滑、更均匀和更清晰的表面。这种类型的钢用于金属家具、家用电器和汽车零件等。

除了冷轧机和退火生产线之外，钢材还可以在车削、磨削和抛光生产线上进行冷处理，并且可以进行修整和涂层等操作。最后，如果客户需要，则将其切成分切卷并包装。这是在分切和包装线上完成的。

磁铁矿球团生产分析

我想指出的是，模拟是磁铁矿球团生产的主要分析应用程序。使用仿真，可以在虚拟环境中对现有或规划设施的布局和流程进行建模。模型用于实验——旨在概念证明、变体比较（例如，相互比较两个布局变体）、瓶颈搜索或容量规划。SCDA 上的另一个博客分享了一个类似的煤炭开采示例。请参阅下面的链接。

链接：露天采矿模拟

与静态微积分或基于范数的估计相比，模拟具有多种优势：

模拟考虑系统动态，即生产工厂中随时间发生的实际事件链。
模拟考虑相互作用和相互依赖性。例如，起重机必须等待卡车才能将货物卸到卡车上。
模拟考虑实际的过程模型和时间表，例如，一些过程全天候运行，而其他过程以单班或双班模式运行。
模拟考虑随机系统行为，因为它沿着时间线展开。例如，机器故障、废品率、不良批次、矿石含量差异等。

一旦开发出经过验证的仿真模型并使用实际或假设数据进行校准，它就可以用于回答以下问题：

预期产能是否足以执行动态生产？资源利用是否高效且均衡？
混合场足够大吗？
是否有足够的车辆用于内部运输，例如破碎机和/或研磨机之间的运输？有很多车辆吗？
考虑到混合问题以及矿石质量和含量的差异，是否有足够的维护资源单位来确保生产稳定性？

磁铁矿球团应用分析的另一个很好的例子是数学编程。例如，它适用于混合场中的混合问题。由于堆场含有细粒矿石碎片，铁含量增加但变化，因此应用了数学程序。这些程序是旨在优化一个或多个目标的优化模型。一个共同的目标是随着时间的推移保持均匀的铁含量。这是因为均匀的含量降低了生产成本并确保下游的质量一致。

扁钢生产和分析

扁钢产品生产中的一个重要分析方面是直接热装。直接热装降低了能源消耗，从而降低了可变生产成本，直接增加了运营利润。然而，只有一小部分在热轧机中轧制的板坯是直接热装的。其原因在于各种操作限制。他们之中有一些是：

热轧机和连铸机的不同班次模型
热轧机和连铸机的不同峰值生产能力
意外的客户订单，即临时生产订单
热带钢轧机棺材形轧制程序
下游产能限制，例如缓冲区、冷精整线或其他后处理线

考虑到所有这些，各种调度问题都在轧钢中得到解决。首先，必须建立并维护主生产计划。它需要使客户需求与板坯场产能（冷装）和连铸机生产计划（直接热装）保持一致。此外，它必须与下游的所有耦合流程保持一致。其次，必须为所有相关单位建立并维持短期工作排序。实现此目的的方法很复杂并且取决于提供商。由于数学调度计算量很大，因此可以应用优化建模和基于启发式模拟的调度的混合。

使用分析解决的另一个问题是从板坯场本身采购板坯。根据特定的（有时是唯一的）热轧机生产计划，板坯必须按顺序由板坯场交付。在板坯堆放场中，板坯高高堆放。这意味着大量的重新堆垛动作必须由堆场起重机进行。这些移动是非生产性的移动，并且对堆场吞吐量产生显着的负面影响。因此，应用数学优化模型来优化堆场起重机执行的作业顺序。这些模型减少了非生产性的重新堆叠移动的数量，并确保按顺序将板坯输送到热轧机。

关于钢铁生产分析的结束语

在本文的范围内，我考虑了以下工具、方法和技术作为矿石和钢铁生产中“分析”的示例：

用于物料流和过程模拟的离散事件模拟。
数学编程，例如调度和排序。

我提供了铁矿石球团和轧钢中此类分析应用的示例。应用示例包括：

在搅拌场中进行铁矿石混合，以降低生产成本并在整个钢铁价值链中实现统一的输入质量。
对现有生产设施进行流程模拟，以检测设施中的瓶颈，例如内部运输系统、加工能力等。
安排工作以降低成本、提高设施利用率和/或缩短交货时间。

还有其他类型的分析方法和技术可应用于铁球团和钢铁生产。这包括可推广并应用于不相关行业的内容。例如，用于预测性维护和指导需求规划的预测应用程序。或者用于劳动力和其他类型共享资源池的轮班调度的约束规划。相反，我强调了更具行业针对性的示例。

如果您有兴趣阅读采矿、铝轧制或其他行业的更多应用分析示例，那么以下文章是您开始的好地方：

Lucas Neves

具有工业铁矿石开采和生铁生产经验的采矿工程师。采矿作业模拟专家。

钢铁生产价值链分析