无钟炉顶装料是现代高炉重要的炉况调节手段,研究表明高炉内的炉料分布状态对高炉生产产生重要影响,合理的高炉布料操作有益于改善炉内煤气分布,进而稳定炉况,提高煤气利用率,降低燃料比。在无钟高炉布料过程中,人工决策无法得到稳定的矿焦比以及维持合理的料面形状,炉况发生波动时不能及时调整布料操作。因此,分析无钟高炉布料过程,开发高炉生产优化控制模型,准确判断高炉内部的煤气分布状况,预测高炉炉况的发展趋势,研究无钟高炉布料操作的优化控制策略,将高炉生产调整到最佳状态具有重要的现实意义。为准确掌握无钟高炉布料规律,采用数值模拟与实验验证相结合的方法,研究了炉料在无钟炉顶内的流动行为,分析了炉料运动状态对炉料堆积行为的影响,采用两直线段和一多项式曲线构造了料堆轮廓,并在此基础上提出了一种适用于变布料半径、变料流流量的炉料分布计算方法,分别建立了环形布料和螺旋布料的炉喉料面预测模型,为优化高炉布料操作奠定了基础。采用非接触式炉喉料面测量技术实时测量炉喉料面的形状和径向下降速度分布,分析了料柱在高炉内非匀速下降时的料层位置和形状变化,准确获得了高炉内的矿焦比分布。以料面形状和矿焦比分布作为无钟高炉炉况调整的主要参数,为获得合理的料面形状和矿焦比分布,提高布料精度,分别建立了基于改进遗传算法的常规多环布料操作优化数学模型、基于社会情感优化算法的步进式同心圆布料操作和螺旋布料操作优化数学模型。采用炉料分布误差和料层厚度不均匀率两个指标对布料精度进行量化,分析了常规多环布料不同工艺参数对炉料分布误差的影响,探究了步进式同心圆布料、螺旋布料与常规多环布料之间的内在联系,研究了螺旋布料料层厚度不均匀率的变化规律,并提出了改善炉料分布周向不均的措施。在分析煤气分布对高炉生产影响的基础上,将煤气分布分为4种类型,并建立了基于学习向量量化神经网络的煤气分布类型识别数学模型,根据高炉实测数据判断高炉煤气分布状态。建立了考虑炉况稳定性、经济效益、产品质量和高炉寿命的高炉生产综合评价指标,利用多层小波分解去除高炉生产技术指标采集信号的噪声,并利用支持向量机预测不同布料操作对应的高炉生产技术指标变化,制定基于煤气分布类型识别的高炉布料操作调整策略,实现了高炉生产优化控制,并针对鞍钢新4号高炉进行了高炉生产优化控制模型的离线验证和模拟仿真。