郭峪坤^1，2，李建生³，馬新光³，項(xiàng)有兵³，崔志宏³

( 1． 冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100071; 2． 冶金智能制造系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100071;3． 唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造部，河北 唐山 063000)

摘要: 鋼鐵制造流程中的煉鐵 － 煉鋼界面，作為連接煉鐵和煉鋼工序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、降低成本以及提升競爭力至關(guān)重要。近年來，“一罐到底”模式作為一種新興的界面技術(shù)受到廣泛關(guān)注，然而對于高爐下提前推薦最合適鐵水罐技術(shù)的研究不夠充分。針對這一問題，提出了一種鐵水罐智能配罐技術(shù)，通過對鐵水罐的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，并綜合考慮煉鋼廠冶煉計(jì)劃，進(jìn)行長周期的鐵水罐未來位置和狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)測，以選擇最合適的鐵水罐進(jìn)行配罐，從而提高鐵鋼界面運(yùn)行的流暢度和效率。通過在唐鋼新區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行驗(yàn)證，該技術(shù)使得鐵鋼界面中的鐵水罐周轉(zhuǎn)率、鐵水罐在線個(gè)數(shù)、鐵水 KＲ 進(jìn)站溫度等指標(biāo)得到顯著改善，為鐵鋼界面的生產(chǎn)運(yùn)行提供了有效的技術(shù)支持和優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞: 鋼鐵企業(yè); 一罐到底; 鐵鋼界面; 鐵水罐配罐

0 引言

殷瑞鈺院士在《冶金流程工程學(xué)》中指出，鋼鐵制造流程是一個(gè)由燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等主要工序構(gòu)成的集成運(yùn)行系統(tǒng)^［1］，其中鐵鋼界面是關(guān)鍵。優(yōu)化鐵鋼界面流程對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、成本降低和競爭力提升至關(guān)重要。“一罐到底”模式是鋼鐵企業(yè)煉鐵 － 煉鋼區(qū)段的一種新型界面技術(shù)，采用鐵水罐具備鐵水承接、運(yùn)輸、預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐兌鐵等功能，省去了倒罐環(huán)節(jié)，具有占地少、設(shè)備投資少、粉塵排放少、物流簡便等優(yōu)勢^［2］。目前企業(yè)根據(jù)自身?xiàng)l件制定了鐵路運(yùn)輸、過跨天車運(yùn)輸和汽車運(yùn)輸 3 種個(gè)性化的“一罐到底”模式。

針對基于“一罐到底”模式下鐵鋼界面流程優(yōu)化的研究越來越廣泛，主要集中在對各種“一罐到底”總圖布置型式優(yōu)劣比較^［3－6］、鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)過程中溫降分析及減少溫降的對策^［7－10］、鐵水熱損失模擬預(yù)測^{［11－15］}、鐵水罐周轉(zhuǎn)過程及其優(yōu)化調(diào)控^{［16－20］}、尾罐效應(yīng)及其對生產(chǎn)指標(biāo)波動(dòng)的影響^{［21－22］}。但對鐵鋼界面中高爐下提前推薦最合適鐵水罐技術(shù)的研究還較少，目前缺乏對該方面

的關(guān)注。文獻(xiàn)中對智能配罐技術(shù)的研究大多是針對鋼包進(jìn)行的配罐，且針對鋼包的配罐也主要是根據(jù)對鋼包位置的實(shí)時(shí)跟蹤，從而打破了鋼包信息的孤島，再根據(jù)相關(guān)鋼水溫度補(bǔ)償規(guī)則作為轉(zhuǎn)爐鋼包配罐的依據(jù)^［23］。針對鐵水罐的配罐技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)研究較少，并且大多是針對高爐下配罐制度的研究，并沒有針對根據(jù)鐵水罐實(shí)時(shí)位置信息等推薦具體的鐵水罐做相關(guān)研究。

本文通過對煉鐵 － 煉鋼區(qū)段鐵水罐位置進(jìn)行跟蹤預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果推薦最合適的鐵水罐，為高爐下鐵水罐的提前配罐提供了解決方案。

1 唐鋼新區(qū)鐵鋼界面配罐模式

唐鋼新區(qū)鐵鋼界面配置3座2 922 m³高爐^［24］，每個(gè)高爐共有 4 個(gè)鐵口，每個(gè)鐵次出 800 ～1 000 t 的鐵水。煉鋼區(qū)段共有 2 個(gè)煉鋼廠、4 座KR脫硫站。鐵水罐分大、小包兩種類型，分別是26 t、130t 的公稱容量。鐵水罐運(yùn)輸采用“機(jī)車 + 天車”的運(yùn)輸方式。

唐鋼新區(qū)的高爐爐下配罐由鐵運(yùn)調(diào)度負(fù)責(zé)，現(xiàn)場調(diào)度人員根據(jù)電話溝通獲知高爐下一場出鐵的鐵口信息，再根據(jù)生產(chǎn)指揮中心下達(dá)的高爐大小包分配個(gè)數(shù)指派機(jī)車?yán)\(yùn)空包到對應(yīng)的鐵口下進(jìn)行配罐，在鐵水罐變?yōu)榭瞻以谵D(zhuǎn)爐兌完鐵落架之后，鐵運(yùn)調(diào)度人員再根據(jù)哪個(gè)高爐更急需空包的原則將此類空包進(jìn)行分配。在實(shí)際配罐過程中，由于可用空包數(shù)量的限制，鐵運(yùn)調(diào)度人員很難在鐵次開始出鐵之前將所需的所有空包都配齊。在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度過程中，鐵運(yùn)調(diào)度人員根據(jù)兌鐵結(jié)束的落架空包的實(shí)時(shí)產(chǎn)生情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)配罐，即在實(shí)際生產(chǎn)中高爐下配罐的過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)補(bǔ)充的模式，如圖 1 所示。

目前唐鋼現(xiàn)場的配罐方式無法提前預(yù)測未來空包的產(chǎn)生情況，也無法綜合考慮每個(gè)鐵水罐的當(dāng)前位置狀態(tài)和未來位置狀態(tài)進(jìn)行合理配罐，容易導(dǎo)致出現(xiàn)鐵水罐周轉(zhuǎn)時(shí)長過長的問題。同時(shí)由于無法預(yù)判未來空包能否及時(shí)到爐下配罐，容易導(dǎo)致高爐出鐵過程中，發(fā)現(xiàn)鐵水空包不夠用，臨時(shí)上線鐵水罐也來不及，從而導(dǎo)致高爐緊急堵口，影響高爐的正常出鐵，打亂了煉鋼廠的鐵水供應(yīng)計(jì)劃。為了減少空包無效等待時(shí)間、鐵水罐的周轉(zhuǎn)時(shí)長、鐵水的溫降，提高鐵水罐周轉(zhuǎn)率，亟需一種綜合考慮每個(gè)鐵水罐的當(dāng)前位置狀態(tài)和未來位置狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)工藝規(guī)則進(jìn)行合理配罐的技術(shù)。

2 鐵鋼界面中的配罐技術(shù)研究

2． 1 鐵水罐智能配罐技術(shù)

針對上述問題，本文提出了一種煉鐵 － 煉鋼界面鐵水罐智能配罐技術(shù)。該方法通過對鐵水罐的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，并綜合考慮煉鋼廠冶煉計(jì)劃，進(jìn)行長周期的鐵水罐未來位置和狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)測。綜合考慮高爐出鐵時(shí)間和位置，選擇最合適的鐵水罐進(jìn)行配罐，給出未來的高爐下配罐計(jì)劃。對于該方法的具體描述如圖 2 所示。1) 獲取鋼鐵企業(yè)各鐵水罐煉鐵 － 煉鋼區(qū)段相關(guān)線路的實(shí)時(shí)位置信息、相關(guān)作業(yè)計(jì)劃、各計(jì)劃鐵次需要配大小包個(gè)數(shù)、離線鐵水罐列表等信息。再根據(jù)高爐出鐵計(jì)劃中各鐵次計(jì)劃的開始出鐵時(shí)間進(jìn)行排序，將高爐出鐵計(jì)劃依次輸入。2) 根據(jù)當(dāng)前計(jì)劃鐵次所需要大小包配罐個(gè)數(shù)及安全出鐵容量規(guī)則來確定該計(jì)劃鐵次最終所需大小包個(gè)數(shù)。通過采集的各鐵水罐實(shí)時(shí)位置和煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃，進(jìn)行鐵水罐未來位置和狀態(tài)的預(yù)測，進(jìn)一步計(jì)算得到所有在線鐵水罐預(yù)計(jì)到達(dá)目標(biāo)鐵口的時(shí)間。對各在線鐵水罐預(yù)計(jì)到達(dá)目標(biāo)鐵口下的預(yù)計(jì)時(shí)間進(jìn)行排序，再以鐵水罐檢修計(jì)劃為約束，初步得到該計(jì)劃鐵次的配罐包號。3) 檢查當(dāng)前計(jì)劃鐵次的計(jì)劃配罐，預(yù)測到達(dá)目標(biāo)鐵口時(shí)間是否符合出鐵時(shí)間要求，若有不符合要求的鐵水罐，則從離線鐵水罐中選擇上線優(yōu)先級較高的鐵水罐。按照各計(jì)劃鐵次的出鐵開始時(shí)間排序，并將所有高爐出鐵計(jì)劃遍歷之后，輸出各計(jì)劃鐵次的配罐包號。

其中基于采集的鐵水罐實(shí)時(shí)位置和煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃，進(jìn)行鐵水罐未來位置和狀態(tài)預(yù)測的具體流程如圖 3 所示。1) 對一段時(shí)間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出煉鐵 － 煉鋼區(qū)段各路段重 /空包的平均運(yùn)輸時(shí)間、KＲ 進(jìn)站平均等待時(shí)間、KＲ 脫硫平均作業(yè)時(shí)間、轉(zhuǎn)爐兌鐵平均作業(yè)時(shí)間、天車吊空 /重包平均作業(yè)時(shí)間; 2) 各在線空包通過實(shí)時(shí)采集鐵水罐空閑位置及時(shí)刻，再根據(jù)各鐵水罐需要經(jīng)過的運(yùn)輸路段及各路段空包的平均運(yùn)輸時(shí)間來對在線空包預(yù)計(jì)到達(dá)目標(biāo)鐵口時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測; 3) 沒有匹配轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃的各在線重包根據(jù)鐵水罐需要經(jīng)過的運(yùn)輸路段及各路段重 /空包的平均運(yùn)輸時(shí)間、KR進(jìn)站平均等待時(shí)間、KＲ 脫硫平均作業(yè)時(shí)間、轉(zhuǎn)爐兌鐵平均作業(yè)時(shí)間、天車吊空 /重包平均作業(yè)時(shí)間來對各在線重包到達(dá)目標(biāo)鐵口時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測; 4) 已經(jīng)匹配轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃的各在線重包到達(dá)目標(biāo)鐵口時(shí)間按照轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃的作業(yè)結(jié)束時(shí)間加上天車吊空包平均作業(yè)時(shí)間以及空包到達(dá)目標(biāo)鐵口所需的各路段空包平均運(yùn)輸時(shí)間來進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測。

2． 2 鐵水罐智能配罐技術(shù)的難點(diǎn)

該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要鋼鐵企業(yè)有一定的條件支持。例如需要有較為準(zhǔn)確的集鐵水罐實(shí)時(shí)位置采集、鐵水罐狀態(tài)采集、煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉計(jì)劃、鐵水罐檢修計(jì)劃等信息的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，并且由于各鋼鐵企業(yè)的平面布局、物理結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程會(huì)有不同程度上的差異，從而會(huì)造成對該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)造成一定的困難和擾動(dòng)。首先唐鋼現(xiàn)場鐵鋼界面的工藝路徑十分復(fù)雜( 圖 4) ，會(huì)對鐵水罐未來位置和狀態(tài)預(yù)測造成較大的困難。其次會(huì)存在例如高爐出鐵時(shí)間、出鐵量、煉鋼選取鐵水罐的不確定性、鐵水罐預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間不及時(shí)、鐵水罐臨時(shí)上下線、煉鋼需求計(jì)劃變更、尾包、機(jī)車檢修等大小擾動(dòng)。針對機(jī)車檢修、鐵水罐臨時(shí)上下線等小擾動(dòng)，可以對原計(jì)劃進(jìn)行局部優(yōu)化; 對于高爐出鐵時(shí)間、出鐵量、煉鋼選取鐵水罐的不確定性等大擾動(dòng)，可以在已執(zhí)行的計(jì)劃實(shí)績約束條件下，以保證高爐出鐵安全和滿足煉鋼鐵水需求量、時(shí)間為目標(biāo)，對未執(zhí)行的配罐計(jì)劃進(jìn)行全局動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成新的計(jì)劃，從而保證生產(chǎn)動(dòng)態(tài)有序進(jìn)行。當(dāng)高爐出鐵量過多以及鐵水罐預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間不及時(shí)時(shí)，該方法便不能準(zhǔn)確及時(shí)地進(jìn)行配罐操作，此時(shí)便需要通過人機(jī)交互界面進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整配罐。

通過上述流程實(shí)現(xiàn)對鐵鋼界面中高爐下鐵水罐的提前配罐，目前該技術(shù)已經(jīng)集成在唐鋼新區(qū)流程優(yōu)化與智能化運(yùn)行系統(tǒng)中。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可以對鐵運(yùn)調(diào)度進(jìn)行全局鐵水罐組編運(yùn)輸優(yōu)化提供基礎(chǔ)，提高鐵水罐的周轉(zhuǎn)率，從而降低鐵水罐周轉(zhuǎn)過程中由于等待造成的鐵水溫降。

3 應(yīng)用及效果

圖 5 所示為唐鋼新區(qū)流程優(yōu)化與智能化運(yùn)行系統(tǒng)中集成該方法的人機(jī)交互界面。該界面可以將智能配罐技術(shù)的結(jié)果進(jìn)行展示，并細(xì)化到各高爐、鐵口、鐵道上。其中包括尾包、重包、空包的提前預(yù)測配罐，以及對配罐方案的修改確認(rèn)功能。

圖 6 所示為在唐鋼新區(qū)流程優(yōu)化與智能化運(yùn)行系統(tǒng)中的鐵運(yùn)調(diào)度圖界面對智能配罐結(jié)果進(jìn)行展示。該界面通過虛擬空包的形式將智能配罐結(jié)果形象、直觀地進(jìn)行展示，可以對爐下配罐方案進(jìn)行清晰地表達(dá)，還可以通過拖動(dòng)虛擬空包的位置對智能配罐結(jié)果進(jìn)行修改。

該技術(shù)在唐鋼現(xiàn)場應(yīng)用以來，不僅從人機(jī)交互模式上改變了原有現(xiàn)場調(diào)度人員電話溝通的模式，大大降低了現(xiàn)場調(diào)度人員的溝通成本，提升了人機(jī)界面交互的程度，而且從工藝指標(biāo)上使鐵水罐周轉(zhuǎn)率從 2． 47 次 /天提高到 3. 74 次 /天以上，如圖 7 所示。鐵水罐進(jìn)熱軋 KＲ 的平均鐵水溫度達(dá)到 1 393 ℃ 以上( 圖 8) ，比 2022 年 3 月平均提高28 ℃ ，鐵鋼界面各項(xiàng)指標(biāo)均有了較大程度的提升。

4 結(jié)論

1) 鐵鋼界面連接和匹配煉鐵與煉鋼的過渡過程，對整個(gè)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性至關(guān)重要。確保界面功能的有效匹配與集成對于實(shí)現(xiàn)全流程的節(jié)能、降低消耗、減少污染和成本削減至關(guān)重要。在“一罐到底”模式的鐵鋼界面中，物質(zhì)流運(yùn)行與鐵水罐的周轉(zhuǎn)過程密切相關(guān)，應(yīng)對鐵水罐的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，并結(jié)合相關(guān)信息對鐵水罐未來位置狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，再考慮高爐出鐵時(shí)間和位置等工藝規(guī)則，選擇最合適的鐵水罐進(jìn)行配罐，給出未來的高爐下配罐計(jì)劃。

2) 本文從提高鐵鋼界面的銜接匹配、運(yùn)行節(jié)奏和流暢性的角度出發(fā)，提出了一種高爐下鐵水罐智能配罐的技術(shù)，并對該技術(shù)在唐鋼新區(qū)實(shí)際應(yīng)用中存在的一些難點(diǎn)問題進(jìn)行了局部優(yōu)化、動(dòng)態(tài)調(diào)整和人機(jī)交互的處理。該智能配罐技術(shù)在唐鋼新區(qū)的實(shí)際使用過程中表明，該技術(shù)大大降低了現(xiàn)場調(diào)度人員的溝通成本，提升了人機(jī)界面交互的程度，而且提升了鐵鋼界面運(yùn)行的流暢度，使得鐵水罐周轉(zhuǎn)率、鐵水 KR進(jìn)站溫度等指標(biāo)有了較大程度的改善。

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