谷宗喜1， 徐安軍1*， 賀東風(fēng)1， 吳 偉2， 劉晶波2， 韓偉剛3
(1. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2. 重慶鋼鐵集團(tuán)股份有限公司，重慶 401258；3. 鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)
摘 要：在綜合考慮鐵水包備包生產(chǎn)及高爐配罐制度等因素的基礎(chǔ)上，建立了多功能鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算模型，即鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)由工藝要求數(shù)、備包數(shù)及高爐配罐富裕數(shù)組成. 依據(jù)模型計(jì)算出重鋼新區(qū)兩座高爐-兩座轉(zhuǎn)爐模式下鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)為16 個(gè). 結(jié)果表明，減少鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)鍵在于減少重包和空包的“緩沖容量”，為此需優(yōu)化高爐配罐制度及連澆爐數(shù). 單一優(yōu)化配罐制度及連澆爐數(shù)均可減少2 個(gè)鐵水包，聯(lián)合優(yōu)化配罐制度和連澆爐數(shù)可減少4 個(gè)鐵水包.
關(guān) 鍵 詞：鐵水包；周轉(zhuǎn)數(shù)；計(jì)算模型；緩沖容量
1 前 言
多功能鐵水包模式，即“一包到底”模式，是指高爐(Blast Furnace, BF)出鐵、鐵水運(yùn)輸、鐵水預(yù)處理及向轉(zhuǎn)爐(Basic Oxygen Furnace, BOF)兌鐵均使用同一個(gè)鐵水包，中途不倒包. 鐵水包周轉(zhuǎn)頻率和周轉(zhuǎn)數(shù)合理化研究是鐵水包多功能集成技術(shù)包的重要研究內(nèi)容[1]，首鋼京唐[2]、重鋼新區(qū)[3]等大型鋼廠“鐵鋼界面”已經(jīng)實(shí)施該技術(shù)，顯示出良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，但在生產(chǎn)運(yùn)行中均存在周轉(zhuǎn)數(shù)較多、周轉(zhuǎn)時(shí)間較長等問題，影響“鐵鋼界面”動態(tài)有序運(yùn)行. 從理論及實(shí)踐角度均需解決合理調(diào)控鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的問題. 多功能鐵水包模式使原僅限于煉鋼工序內(nèi)部的全連鑄生產(chǎn)組織管理延伸到了煉鐵工序，鐵水包周轉(zhuǎn)過程受高爐出鐵及連鑄連澆等生產(chǎn)約束，目前針對鐵水包(魚雷罐)周轉(zhuǎn)數(shù)的研究均未綜合考慮各類約束條件對鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行的影響，如供需平衡法[4]、排隊(duì)論法[5]、仿真法[6]、基于生產(chǎn)計(jì)劃的方法[7]等，目前尚未有新方法用于計(jì)算鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)[8]. 多功能鐵水包周轉(zhuǎn)過程與鋼包周轉(zhuǎn)過程類似，對多功能鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)及控制模型研究均較少[9]，對鋼包的相關(guān)研究較多[10-14].本工作綜合考慮鐵水包周轉(zhuǎn)過程備包生產(chǎn)及配罐制度等因素，以緊湊型“鐵鋼界面”布置的重鋼新區(qū)為研究對象，建立了多功能鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算模型，提出減少鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的生產(chǎn)措施，研究結(jié)果對多功能鐵水包模式下合理配置鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)、加強(qiáng)鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行管控均有一定的參考價(jià)值.
2 重鋼鐵水包周轉(zhuǎn)過程解析
重鋼“鐵鋼界面”目前有3 座高爐(1#~3#高爐均為2500 m3)、3 座KR(Kanbara Reactor)脫硫站和3 座230 t轉(zhuǎn)爐，采用起重機(jī)+過跨車模式運(yùn)送鐵水包，圖1 為其平面布置示意圖，圖2 為鐵水包周轉(zhuǎn)過程示意圖，其中實(shí)線表示重包周轉(zhuǎn)過程，虛線表示空包周轉(zhuǎn)過程.
本工作提出用工藝要求時(shí)間表征鐵水包周轉(zhuǎn)過程中工序處理及轉(zhuǎn)運(yùn)必須時(shí)間，通過解析重鋼鐵水包周轉(zhuǎn)過程，得出鐵水包周轉(zhuǎn)工藝要求時(shí)間如表1 所示，表中t1~t9 為鐵水包周轉(zhuǎn)各階段工藝要求時(shí)間(min)，theavy 為重包周轉(zhuǎn)工藝要求時(shí)間，包含出鐵時(shí)間t1、出鐵結(jié)束運(yùn)輸至KR 脫硫站時(shí)間t2、KR 脫硫時(shí)間t3、KR 脫硫結(jié)束至加料跨時(shí)間t4、加料跨吊起至兌鐵時(shí)間t5、兌鐵時(shí)間t6；tempty 為空包周轉(zhuǎn)工藝要求時(shí)間，包含兌鐵結(jié)束吊運(yùn)至加料跨時(shí)間t7、加料跨至轉(zhuǎn)運(yùn)跨時(shí)間t8、轉(zhuǎn)運(yùn)跨至高爐出鐵口時(shí)間t9. 由表1 可知，theavy=113 min，tempty=30 min.
“一包到底”模式使原僅限于煉鋼工序內(nèi)部的全連鑄生產(chǎn)組織管理延續(xù)到了煉鐵工序，鐵鋼工序相互牽制，鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行需保證高爐出鐵安全及連鑄連澆. 為保證高爐出鐵安全，需考慮高爐配罐制度，即需在高爐出鐵前預(yù)備若干數(shù)量空包[15]，重鋼新區(qū)當(dāng)前配罐制度為“3+1+X”，其中3 指3 個(gè)鐵水包空包，1 為上一出鐵批次的尾包，X 為依據(jù)高爐出鐵波動需投入的鐵水包個(gè)數(shù)，正常生產(chǎn)條件下，在每個(gè)出鐵計(jì)劃執(zhí)行前，高爐出鐵口均需準(zhǔn)備3 個(gè)空包，上一個(gè)出鐵計(jì)劃剩余的尾包加入本次出鐵計(jì)劃. 為保證連鑄連澆，需考慮鐵水包備包生產(chǎn)，即需在轉(zhuǎn)爐冶煉前保證適度的鐵水囤積量[16]，目前兩高爐-兩轉(zhuǎn)爐模式下，煉鋼廠鐵水積壓到6 包時(shí)，應(yīng)安排兩條線同時(shí)生產(chǎn)，嚴(yán)禁煉鋼廠積壓鐵水到8 包時(shí)不安排兩條線同時(shí)生產(chǎn).
3 鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算模型
通過對鐵水包周轉(zhuǎn)過程的分析可知，工序處理及鐵水包轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間一般較穩(wěn)定，而備包及出鐵前等待時(shí)間不固定，主要受冶煉計(jì)劃和出鐵計(jì)劃影響. 基于以上分析，鐵水包周轉(zhuǎn)時(shí)間由工藝要求時(shí)間、備包時(shí)間及高爐出鐵口前等待時(shí)間3 部分構(gòu)成. 本工作提出鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算模型，即周轉(zhuǎn)數(shù)由工藝要求數(shù)、備包數(shù)和配罐富裕數(shù)組成.
3.1 模型數(shù)學(xué)表達(dá)
模型假設(shè)條件：(1) 忽略高爐、預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐等工序生產(chǎn)波動，其中高爐每批次出鐵包數(shù)固定，出鐵連續(xù)進(jìn)行，沒有尾包，且高爐鐵水無鑄鐵；(2) 鐵水包轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間穩(wěn)定，波動較小；(3) 為方便建模，假設(shè)高爐與轉(zhuǎn)爐一一對應(yīng)；(4) 轉(zhuǎn)爐與連鑄工序爐機(jī)匹配，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間隨連鑄澆注時(shí)間微調(diào)，煉鋼計(jì)劃開始時(shí)間不出現(xiàn)延遲；(5) 轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃間隔時(shí)間固定，由鐵水包最長備包時(shí)間決定.
模型約束條件：(1) 鐵水包備包數(shù)滿足連澆需求；(2) 高爐出鐵口前空包數(shù)需滿足出鐵計(jì)劃需求.
模型數(shù)學(xué)表達(dá)式：
式中，nladle 為鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)(個(gè))， 
為工藝要求周轉(zhuǎn)數(shù)(個(gè))， 
為必要備包數(shù)(個(gè))， 
為配罐富裕數(shù)(個(gè))，
為轉(zhuǎn)爐兩個(gè)冶煉計(jì)劃間歇時(shí)間(min)，tBF 為高爐出鐵時(shí)間(min)，tBOF 為轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間(min)，
為連澆爐數(shù)為n 轉(zhuǎn)爐冶煉第m 爐時(shí)必要備包時(shí)間(min)，n 為連鑄機(jī)連澆爐數(shù)，m 為轉(zhuǎn)爐冶煉次序號(爐)，tint 為鐵水包工藝要求時(shí)間(min)， 
為高爐第m 包鐵水積壓時(shí)間(min)，也是轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃爐數(shù)(爐)，q 為高爐第m 包鐵水兌鐵結(jié)束再次接鐵的出鐵序號，與備包時(shí)間和配罐制度有關(guān)，其中qm0 為鐵水包初次投入接鐵的出鐵序號，
為鐵水包到達(dá)出鐵口至出鐵前平均等待時(shí)間(min).
不同于鋼包周轉(zhuǎn)過程，鐵水包周轉(zhuǎn)過程必須保證高爐出鐵安全，且多座轉(zhuǎn)爐冶煉爐次重疊時(shí)間較長，鐵水包幾乎無互用現(xiàn)象，基本可認(rèn)為多座高爐-多座轉(zhuǎn)爐模式所需鐵水包數(shù)等同于高爐-轉(zhuǎn)爐“一一對應(yīng)”模式所需包數(shù)之和[16,17]. 模型充分考慮了高爐出鐵安全及連鑄連澆需求，能較好描述鐵水包實(shí)際周轉(zhuǎn)過程.
3.2 模型應(yīng)用
應(yīng)用模型計(jì)算重鋼新區(qū)鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù). 重鋼高爐出鐵平均時(shí)間tBF 為52 min，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間44~50 min，冶煉時(shí)間參考后續(xù)連鑄澆注時(shí)間微調(diào). 選擇1#、2#連鑄機(jī)產(chǎn)能最大鋼種AFT702 和BFT703，計(jì)算兩高爐-兩轉(zhuǎn)爐模式下的鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù). 參考2013 年4~9 月生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)定計(jì)算參數(shù)如表2 所示，其中連澆爐數(shù)取平均值.
按照模型分別計(jì)算1#高爐-1#轉(zhuǎn)爐、2#高爐-2#轉(zhuǎn)爐一一對應(yīng)模式下鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù). 將表1 和2 相關(guān)參數(shù)帶入式(2), (3), (5)，得到重鋼新區(qū)當(dāng)前鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)如表3 所示，依據(jù)模型繪制1#高爐-1#轉(zhuǎn)爐鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行甘特圖如圖3 所示，其中重包時(shí)間包含t1, t2, t3, t4, 
,t5，轉(zhuǎn)爐兌鐵時(shí)間為t6，空包時(shí)間包含t7, t8, t9, 
.
由表3 可知，重鋼新區(qū)兩高爐-兩轉(zhuǎn)爐模式下鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)為16 個(gè). 由圖3 可看出，鐵水包周轉(zhuǎn)過程呈現(xiàn)周期性循環(huán)的特點(diǎn)，重包備包時(shí)間
=0~152 min，
=76 min. 空包等待時(shí)間
=118~270 min，
=194 min，由此可知鐵水包周轉(zhuǎn)過程滿足出鐵安全需求.依照上述模式生產(chǎn)，高爐作業(yè)率為100%，轉(zhuǎn)爐作業(yè)率為84.61%，實(shí)際生產(chǎn)中高爐作業(yè)率為97.19%，轉(zhuǎn)爐為82.07%(2013 年4~9 月). 模型計(jì)算重鋼新區(qū)兩座高爐-兩座轉(zhuǎn)爐模式鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)為16，實(shí)際生產(chǎn)中考慮生產(chǎn)擾動等影響因素，鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)為19. 對比高爐與轉(zhuǎn)爐工序作業(yè)率及模型計(jì)算與生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可知所建模型與實(shí)際生產(chǎn)基本相符，可用于指導(dǎo)鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的配置.
4 鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)量優(yōu)化
多功能鐵水包周轉(zhuǎn)過程可認(rèn)為是在“鐵鋼界面”循環(huán)運(yùn)行的閉環(huán)串行生產(chǎn)線，考慮備包生產(chǎn)及高爐配罐，鐵水包周轉(zhuǎn)有兩個(gè)關(guān)鍵的緩沖區(qū)，即空包緩沖區(qū)和重包緩沖區(qū)，“鐵鋼界面”生產(chǎn)組織的主要目的是盡可能減少鐵水包等待數(shù)并保證“鐵鋼界面”生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行[16].對于鐵水包周轉(zhuǎn)串行生產(chǎn)線，需分配合理的緩沖區(qū)容量以保證正常生產(chǎn)[17,18]. 實(shí)際生產(chǎn)中，工序處理及運(yùn)輸?shù)裙に囈髸r(shí)間較穩(wěn)定，優(yōu)化鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)鍵在于減少高爐出鐵口空包等待時(shí)間及備包時(shí)間，從而優(yōu)化空包和重包緩沖容量.
4.1 空包緩沖容量的優(yōu)化
空包緩沖容量的優(yōu)化應(yīng)優(yōu)化高爐配罐制度，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將高爐空包配罐制度由“3+1+X”改為“2+1+X”，即在每個(gè)出鐵計(jì)劃開始前，高爐出鐵口前空包數(shù)由3 減少為2. 優(yōu)化配罐制度前后鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)量變化見表4.
4.2 重包緩沖容量的優(yōu)化
重包緩沖容量的優(yōu)化應(yīng)合理安排煉鋼計(jì)劃，避免因煉鋼計(jì)劃延遲造成的不必要的備包，并選擇合理的連鑄機(jī)澆注周期和連澆爐數(shù). 模型假定煉鋼計(jì)劃無延遲，即忽略由于煉鋼計(jì)劃延遲或不合理造成的備包數(shù)增加，且對于特定鋼種其澆注周期基本固定，確定合理連澆爐數(shù)即可優(yōu)化重包緩沖容量. 優(yōu)化連澆爐數(shù)應(yīng)從煉鐵煉鋼綜合成本損失最小的角度核算，即計(jì)算由于鐵水包備包造成的成本損失與煉鋼綜合成本損失，所得經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)即為綜合成本損失最低的連澆爐數(shù). 重鋼現(xiàn)場依據(jù)煉鐵煉鋼綜合成本核算，針對典型鋼種給出指導(dǎo)性建議，AFT702 和BFT703 的連澆爐數(shù)以15~16 爐為宜，優(yōu)化的連澆爐數(shù)設(shè)為16 爐. 優(yōu)化連澆爐數(shù)前后鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)量變化見表4.
4.3 結(jié)果分析
由以上分析可知，影響鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)量的關(guān)鍵因素為高爐配罐制度及連鑄機(jī)連澆爐數(shù)，鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)量優(yōu)化主要從優(yōu)化配罐制度和連澆爐數(shù)兩個(gè)方面采取措施.表4 為配罐制度和連澆爐數(shù)單一優(yōu)化及聯(lián)合優(yōu)化前后鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)對比，依據(jù)模型繪制1#BF-1#BOF 模式聯(lián)合優(yōu)化鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行甘特圖如圖4 所示.
由表4 可知，配罐制度和連澆爐數(shù)單一優(yōu)化時(shí)，兩座高爐-兩座轉(zhuǎn)爐模式下鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)均可減少2 個(gè)；聯(lián)合優(yōu)化時(shí)，鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)量可減少4 個(gè). 依據(jù)模型繪制單一優(yōu)化及聯(lián)合優(yōu)化情況下鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行甘特圖，可知無論單一優(yōu)化還是聯(lián)合優(yōu)化，鐵水包均可滿足高爐出鐵及連鑄連澆需求. 由圖4 聯(lián)合優(yōu)化甘特圖可看出，重包備包時(shí)間
=0~120 min， 
=60 min；空包等待時(shí)間
=46~166 min， 
=106 min，配罐制度和連澆爐數(shù)聯(lián)合優(yōu)化與未優(yōu)化前相比，
減少16 min，
減少88 min.
減少鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)，需一方面優(yōu)化高爐配罐制度，減少空包緩沖容量，即減少高爐出鐵口空包等待數(shù)；另一方面需合理設(shè)定煉鋼計(jì)劃，合理選擇連鑄機(jī)澆注周期和連澆爐數(shù)，減少重包“緩沖容量”，即減少鐵水包備包數(shù).
5 結(jié) 論
針對多功能鐵水包模式下鐵水包周轉(zhuǎn)運(yùn)行須滿足高爐出鐵及連鑄連澆等生產(chǎn)約束的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了同時(shí)考慮高爐配罐制度和鐵水包備包的鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算模型，應(yīng)用模型計(jì)算了重鋼新區(qū)鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)，研究了鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的優(yōu)化方法，得到以下結(jié)論：
(1) 鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)由工藝要求周轉(zhuǎn)所需數(shù)、備包數(shù)及配罐富裕數(shù)組成.
(2) 優(yōu)化鐵水包周轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)鍵在于優(yōu)化空包和重包緩沖容量，實(shí)際生產(chǎn)中可采取優(yōu)化高爐配罐制度和連澆爐數(shù)的生產(chǎn)措施，兩座高爐-兩座轉(zhuǎn)爐模式下，模型計(jì)算的單一優(yōu)化配罐制度及連澆爐數(shù)均可減少2 個(gè)鐵水包，聯(lián)合優(yōu)化配罐制度和連澆爐數(shù)可減少4 個(gè)鐵水包.
參 考 文 獻(xiàn)：
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