煉鋼和軋鋼連續(xù)生產(chǎn)線調度管理模型_一_

1、聯(lián)系人 :胡維新 , 教授級高工 , 湖北省武漢市 (430080 武漢鋼鐵設計研究總院總設計師室煉鋼和軋鋼連續(xù)生產(chǎn)線調度管理模型 (一 胡維新(武漢鋼鐵設計研究總院 摘 要 煉鋼和軋鋼連續(xù)生產(chǎn)線應以連鑄為中心進行調控 , 根據(jù)連鑄與電爐的配合方式 , 可分為三種生產(chǎn)模式 , 并針對其中一種生產(chǎn)模式 , 探討了理想調度管理模型的建立和實時仿真管理模型的運 行情況 。關鍵詞 煉鋼 軋鋼 生產(chǎn)模式 調度管理Dispatch Management Model for Steelmaking and R olling Continuous Production LineHu Weixin(Wuhan

2、Iron and Steel Design and Research Institute Abstract C ontrol and adjustment on the steelmaking steel productionline should be carried centering around the of coordination between the continuous caster and E AF the of into three different m odes. In the present paper the management m odel and the r

3、un 2ning conditions of a read m odel are explored for one of the three m odes. K ey rolling production m odes dispatch management1 前 言這里討論的煉鋼和軋鋼連續(xù)生產(chǎn)線是由一座超高功率電爐、 一套與產(chǎn)品特性相適應的爐外精煉 裝置、 一臺連鑄機和一組熱連軋成品軋機優(yōu)化組合 的 “ 四位一體” 短流程連續(xù)生產(chǎn)線。 在 “ 四位一體” 的短流程連續(xù)生產(chǎn)線中 , 各工序機組首尾相接 , 時 間節(jié)奏、 溫度和物流量的匹配銜接非常緊密 , 傳統(tǒng) 的人工調度方法是很難適應的。 因

4、此 , 在 “ 四位一 體” 的短流程連續(xù)生產(chǎn)線中 , 一般均設有完整的電 控和儀控一體化的自動控制系統(tǒng) , 利用計算機的 快速與高效 , 進行信息處理和調度 , 使生產(chǎn)管理最 優(yōu)化 , 從而獲得更好的經(jīng)濟效益?！?四位一體” 短流程連續(xù)生產(chǎn)線是當前鋼鐵工 業(yè)中生產(chǎn)長條材產(chǎn)品的發(fā)展方向 。目前 , 完整 的 、 正常生產(chǎn)的 “四位一體” 短流程連續(xù)生產(chǎn)線尚 不多見 , 也缺乏這方面的調度管理經(jīng)驗 , 因而 , 研究和建立 “ 四位一體” 短流程連續(xù)生產(chǎn)線的調度管理模型就顯得十分緊迫 。 文中結合自己在參與 北滿特鋼煉鋼和軋鋼系統(tǒng)技術改造工程設計中對“ 四位一體” 短流程連續(xù)生產(chǎn)線的研究 , 對

5、建立煉 鋼和軋鋼 “ 四位一體” 短流程連續(xù)生產(chǎn)線的調度管 理模型作進一步探討 。2 生產(chǎn)工藝流程 北滿特鋼煉鋼和軋鋼系統(tǒng)技術改造工程擬建 成 “ 四位一體” 的短流程生產(chǎn)線 , 生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn) 合格連鑄坯 50萬 t , 材 47. 5萬 t 。 生產(chǎn)的鋼種有碳 素結構鋼 、 合金結構鋼和軸承鋼 。選定的生產(chǎn)工 藝流程如圖 1所示 , 其工藝布置見圖 2。圖 1 “ 四位一體” 生產(chǎn)工藝流程12 2002年 8月 第 18卷 第 4期 煉 鋼 Steelmaking Aug. 2002Vol. 18 No. 4 2 “ 四位一體” 平面布置圖 :電爐冶煉的鋼水出到鋼 水罐內 , 送到 LF

6、爐進行爐外精煉 , 處理后 , 對不 需脫氣的鋼種 , 可直接送到連鑄機進行澆鑄 ; 需 要進行脫氣處理的鋼種 , 送到 VD 裝置進行處理 , 然后再送到連鑄機進行澆鑄 。 連鑄機生產(chǎn)的鑄坯 由火焰切割機切成定尺 , 經(jīng)移坯機和熱送輥道 , 一根一根地送入步進式加熱爐 , 加熱后通過連軋 機軋成棒材 。 在正常情況下 , 連軋機的軋坯能力 與連鑄機的供坯能力一致 , 保持同步生產(chǎn) 。 如果 軋制出現(xiàn)臨時故障或短時停頓 , 連鑄坯不能進入 加熱爐 , 則由移坯機送入步進式熱坯緩沖裝置 。 待軋機恢復生產(chǎn)后 , 鑄坯經(jīng)熱坯緩沖裝置和熱送 輥道送入加熱爐 。這時 , 軋機可開足馬力生產(chǎn) , 由于軋

7、機的軋坯能力比連鑄機的供坯能力大 , 可 逐步吃掉熱坯緩沖裝置中存放的鑄坯 , 然后 , 連 軋機恢復到與連鑄機保持同步生產(chǎn) 。在設計 “四位一體” 短流程生產(chǎn)線時 , 考慮了 連鑄機出冷坯和冷坯裝加熱爐的措施 , 連鑄機出 冷坯的生產(chǎn)過程相當于 “ 三位一體” 的電爐煉鋼車 間的生產(chǎn)過程 , 冷連鑄坯裝入加熱爐的生產(chǎn)過程 相當于以連鑄出坯跨作為鋼坯庫的連軋車間的生 產(chǎn)過程 。3 機組性能參數(shù)和調控由 “四位一體” 生產(chǎn)工藝流程圖可見 , 在 “四 位一體” 的連續(xù)生產(chǎn)線中 , 實際上有 7個生產(chǎn)機 組 , 即超高功率電爐 、 LF 爐 、 VD 裝置 、 連鑄機 、 加 熱爐 、 熱坯緩沖裝

8、置 、 連軋機 。 各機組的主要性能 參數(shù)和調控方式如下 。3. 1 超高功率電爐(1 公稱容量 :90t (2 爐產(chǎn)鋼水量 :90t (3 變壓器額定容量 :85M VA (4 電爐冶煉周期 :60min(5 調控方式 :電爐冶煉周期可通過改變電爐變壓器輸入的功率和吹入的氧氣量進行調整 , 其關系式為 :t E AF =60(C -NQ G/P cos +t (1式中 t E AF 電爐冶煉周期 /minC 噸廢鋼耗電量 /kWh t -1Q 噸廢鋼耗氧量 /Nm 3 t-1N 氧氣與電能的換算系數(shù) , 根據(jù)完全燃燒程度 , 一般 N =35。 即每吹入 1Nm 3的氧量相 22 煉 鋼 第

9、 18卷當于輸入 35kWh 的電能 G 廢鋼鐵加入量 /tP 變壓器功率 /kVAcos 功率因數(shù) 電能輸入效率t 非通電時間 /min3. 2 LF 爐(1 公稱容量 :90t(2 處理鋼水量 :90t(3 變壓器額定容量 :18M VA(4 處理周期 :一般 3555min不同鋼種所需的最短處理周期 (t LFO 是不同 的 , 這些數(shù)據(jù)應存入計算機備用 。(5 調控方式 :通過改變輸入功率可以改變 升溫速度 , 調整 LF 爐的實際處理周期 , 協(xié)調電 爐和連鑄的匹配 , 起緩沖作用 。關系式 :T =864P cos /60000GC (2 式中 T LF 爐的升溫速度 / min

10、-1 P 變壓器功率 /kVAG C 1的比熱 21k J/kg cos LF 爐功率因數(shù) , 一般 cos = 0. 750. 8 LF 爐熱效率 , 一般 =0. 445 3. 3 VD 裝置(1 形式 :地面真空罐和罐蓋車移動式(2 真空系統(tǒng) :5級蒸汽噴射泵帶起動泵 , 抽氣能力 :300kg/h (20 , 67Pa (3 處理周期 :一般 3550min為滿足不同鋼種的質量要求 , 工藝所需的 VD 處理周期 (t VD 亦不相同 , 不同鋼種的 VD 處 理周期應存入計算機 。VD 裝置沒有加熱手段 , 一般不用 VD 裝置協(xié) 調電爐和連鑄機的匹配關系 , 以保持 VD 處理過

11、程的穩(wěn)定和良好的再現(xiàn)性 。3. 4 連鑄機(1 機型 :全弧形 , 連續(xù)矯直(2 基本半徑 :R =10. 25m(3 流數(shù) :4流(4 生產(chǎn)鋼種 :碳結鋼 、 合結鋼 、 軸承鋼(5 澆鑄斷面 :240mm ×240mm ;180mm ×180mm(6 拉坯速度 :240mm ×240mm 方坯 合結鋼 1. 1m/min , 其它鋼種 0. 9m/min180mm ×180mm 方坯 合結鋼 1. 6m/min , 其它鋼種 1. 5m/min(7 澆鑄準備時間 :澆鑄 240mm ×240mm 方坯 36min/次 澆鑄 180mm &#

12、215;180mm 方坯 25min/次 (8 鑄坯輸出 (從開澆到第一根坯進加熱 爐 :澆鑄 240mm ×240mm 方坯 32min澆鑄 180mm ×180mm 方坯 23min(9 調控方式 :通過改變拉坯速度可以調整 單罐澆鑄時間 。關系式 :t CC M =G/za 2(3 式中 t CC M /minG /tza 方坯邊長 /mV 工作拉速 /m min -1 熱坯密度 (=7. 6t/m 33. 5 加熱爐(1 型式 :步進梁式加熱爐(2 加熱鑄坯規(guī)格 :240mm ×240mm ×6000mm ; 單重 2840 kg/根 。180m

13、m ×180mm ×6000mm ; 單重 1480 kg/根 。(3 生產(chǎn)能力 :熱裝坯 120t/h , 冷裝坯 100 t/h 。(4 輸出時間 (從入爐到出爐 :240mm ×240mm 方坯送熱 130min180mm ×180mm 方坯送熱 94min加熱爐的輸出時間與鑄坯斷面和加熱制度有 關 。3. 6 熱坯緩沖裝置(1 從連鑄機邊流中心線到熱送輥道中心 線 :10600mm(2 熱坯緩沖裝置有效長度 :8140mm(3 緩沖能力 :240mm ×240mm 方坯可存 22根 , 緩沖 3036 min 。180mm ×

14、180mm 方坯可存 35根 , 緩沖 3235 min 。 3 2第 4期 胡維新 :煉鋼和軋鋼連續(xù)生產(chǎn)線調度管理模型 (一 3. 7 連軋機(1 棒材規(guī)格 :1675mm (2 生產(chǎn)能力 (按軋坯計 :生產(chǎn) 2075mm 棒材 , 用 240mm ×240mm 方坯 120t/h生產(chǎn) 1830mm 棒材 , 用 180mm ×180mm 方坯 112t/h生產(chǎn) 16mm 棒材 , 用 180mm ×180mm 方 坯 93t/h(3 成材率 :95%(4 軋槽壽命 :180t(5 換槽時間 (從停軋到重新開軋 :10min(6 換機架時間 (從停軋到重新開軋

15、:20min3. 8 鋼包吊運時間給電爐坐罐或重罐從電爐吊到 LF 爐 :5min從 LF 爐吊到 VD 裝置 :4min6, 位一體” , 應在 統(tǒng)計 、 分析 、 確定 。只有切 實掌握各工序機組的性能參數(shù) 、 操作時間和波動 范圍等 , 才能做出符合實際情況的調度管理模 型 , 并在實際生產(chǎn)過程中掌握調控的主動權 。4 生產(chǎn)模式在 “ 四位一體” 的短流程生產(chǎn)線中 , 連鑄是一個關鍵環(huán)節(jié) , 因為這道工序是將液態(tài)鋼水變成固 態(tài)連鑄坯 , 有一個相變過程 , 這一過程與產(chǎn)品質 量息息相關 。 另外 , 連鑄生產(chǎn)有一個特點 , 即連 澆一定爐數(shù)的鋼水后 , 有一個必不可少的重新開 澆的準備時

16、間 , 這期間 , 連鑄機無法澆鑄鋼水 , 也沒有連鑄坯輸出 。 在 “ 四位一體” 的連續(xù)生產(chǎn)線 中 , 煉鋼和軋鋼都必須適應這個特點 , 即前面的 煉鋼應該按照連鑄的節(jié)奏給連鑄機提供合格的鋼 水 , 而正常情況下 , 連鑄機輸出的熱連鑄坯 , 后 面的軋機應能 100%軋完 。如果電爐與連鑄銜接 不好 , 中斷了澆鑄 , 必須重新上引錠桿 , 這不僅 會占用時間 , 打亂整條線的生產(chǎn)秩序 , 降低生產(chǎn) 能力 , 而且會影響產(chǎn)品質量 , 降低收得率 , 增加 耐火材料消耗 , 造成較大的經(jīng)濟損失 。因此 , 在 “ 四位一體” 的連續(xù)生產(chǎn)線中應以連鑄為中心進行 調控 , 調控的目標應以連鑄機

17、的關鍵參數(shù)的優(yōu)化選擇為出發(fā)點 , 只有在確定了連鑄機澆鑄的鋼 種 、 斷面 、 工作拉速 、 連澆爐數(shù)和準備時間 , 才可 以確定連鑄機的生產(chǎn)能力 , 進而對電爐和軋機提 出流量和時間節(jié)奏方面的具體要求 , 確保 “四位 一體” 生產(chǎn)線的連續(xù)性和穩(wěn)定性 。在 “ 四位一體” 短流程生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程中 , 根據(jù)連鑄與電爐的配合方式 , 一般可以分為三種 生產(chǎn)模式 。4. 1 大周期配合方式第一種是以連鑄機的澆鑄周期為基礎的生產(chǎn) 模式 。 如以連澆 n 爐計 , 即使連鑄機澆注 n 爐鋼 水的時間再加上兩個澆次間的澆注準備時間 (即 連鑄澆注周期 與電爐冶煉 n 爐鋼水的冶煉周期 之和相等 。 為

18、基礎的 , 。在這種生產(chǎn) , :t P =nt E AF即 t CC M =t E AF -t P /n(4式中 t CC M 連鑄單罐澆注時間 /mint E AF 電爐冶煉周期 /min t P 澆注準備時間 /min n 連澆爐數(shù)在這種生產(chǎn)模式下 , 電爐可以相同的冶煉周 期連續(xù)不斷地生產(chǎn) , 但 LF 爐的處理周期 , 在一 個澆次中隨著處理爐序號的不同則需要改變 , 存 在下列關系式 :t LF m =t LFO +(n -m t P /n(5式中 t LF m LF 爐處理第 m 爐鋼水的周期 /mint LFO 為滿足工藝要求必須的最小處理周期 /minn 計劃的連澆爐數(shù)m LF

19、 爐處理的順序號 , 且 m n t P 兩個澆次間的連注準備時間 /min當出現(xiàn) LF 爐處理第 m 爐鋼水的周期 (t LF m 加上吊車將鋼包從電爐吊到 LF 爐的時間 (t 吊 等 于或大于電爐的冶煉周期 (t E AF 時 , 電爐出鋼后 , 鋼水包無法進入 LF 工位 , 必須在 LF 工位外等一 段時間 , LF 工位須配置 2臺鋼包車 , 吊車吊運鋼 包的作業(yè)會相互干擾 , LF 爐也無法在電爐和連 鑄機之間起緩沖作用 , 這是不合理的 ; 由此可以 42 煉 鋼 第 18卷提出一個觀點 :LF 爐的緩沖能力 =t E AF -t LVO -t 吊隨著電爐冶煉周期的縮短和 LF

20、 爐最短處理 周期的延長 , LF 爐的緩沖能力在降低 。當出現(xiàn) t E AF -t LFO -t 吊 =0時 , 系統(tǒng)中的 LF 爐就無法起 緩沖作用了 。如果計劃的連澆爐數(shù)少 , 而連鑄機必須的澆 注準備時間較長 , 則連鑄機允許的拉坯速度就難 于滿足大周期配合時對單罐澆注時間的限制 。 這 就是說 , 大周期配合有一定的適用范圍 。典型的大周期配合調度表如圖 3所示 。圖 3 從圖 3可見 60min , 連鑄準備時間為 36min 4爐連澆 , 根據(jù)關系式 (4 , 可以計算出單罐澆鑄時間為 51min ; 如果該鋼種 LF 爐必須的最小處理周期為 40min , 根據(jù)關系式 (5 ,

21、 可以計算出第一爐鋼水在 LF 爐的處理周期 為 67min 。 此后 , 隨著 LF 爐處理順序號的增加 , 其處理周期遞減 9min 。從圖中可見 , 當?shù)?2爐 出鋼時 , 第 1爐鋼水在 LF 爐還沒有處理完 , 因 而 , LF 爐需配置 2臺鋼水罐車以接受下一爐的鋼 水罐 。 從圖中還可以看到 , 第 2爐鋼水罐從 LF 爐吊到 VD 和第 3爐鋼水罐從電爐吊到 LF 爐相 互干擾 。 如果要連澆 2爐 , 根據(jù)關系式 (4 可算 得單罐澆鑄時間為 42min , 對 4流連鑄機 , 生產(chǎn) 240mm ×240mm 方坯需要的工作拉速為 1. 2m/min , 而外商給定

22、的澆鑄 240mm ×240mm 軸承鋼 方坯的工作拉速為 0. 9m/min , 顯然 , 在這種情況 下就難以采用大周期配合了 。對于 R12/23m 連 鑄機 , 澆鑄 240mm ×240mm 軸承鋼方坯 , 外商 提供的兩個澆次間的連鑄準備時間為 51min , 即 使 3爐連澆 , 根據(jù)關系式 (4 算得單罐澆鑄時間 為 43min , 需要的工作拉速為 1. 18m/min , 鑄機 具備的拉坯速度參數(shù)也很難適應大周期配合 。4. 2 小周期配合方式第二種是以電爐冶煉周期為基礎的生產(chǎn)模 式 , 即控制連鑄單罐澆注時間與電爐的冶煉周期 一致 。 同樣的 , 由于

23、電爐冶煉周期小于連鑄的澆 鑄周期 , 簡稱小周期配合 。 這種配合方式可實現(xiàn) 最佳的爐機匹配 , 而且 LF 爐和 VD 裝置的處理周 期可以保持不變 , 重復性和再現(xiàn)性好 , 操作易于 掌握 , LF 爐的緩沖作用也能夠很好發(fā)揮 。但電 爐不能連續(xù)不斷地生產(chǎn)下去 (在實際生產(chǎn)中 , 這 也是做不到的 , 在一個澆次中 , 對應于連鑄的 準備時間 , 電爐有一段間歇 , 可以利用這段時間 進行熱修補或設備檢修 , 也可以在電爐冶煉第一 爐鋼時有意降低輸入的功率 , 或者在加入第一筐 廢鋼后進行保溫 , 期 , 4所示 , 其匹 , 不必贅述 。圖 4 小周期配合調度表 在小周期配合時 , 為了

24、控制連鑄單罐澆注時間與電爐冶煉周期一致 , 往往需要適當降低連鑄 機的工作拉速 。如生產(chǎn) 240mm ×240mm 軸承鋼 方坯 , 外商給定的工作拉速為 0. 9m/min , 對 4流 鑄機 , 澆注 90t 鋼水 , 可以推算出單罐澆注時間 為 57min , 為了控制連鑄單罐澆注時間與電爐冶 煉周期 60min 一致 , 需將連鑄機的工作拉速降為 0. 86m/min 。4. 3 第三種配合方式第三種配合方式介于大周期配合與小周期配 合之間 , 這種生產(chǎn)模式以優(yōu)化選擇連鑄機的關鍵 參數(shù)為出發(fā)點 。 如根據(jù)澆鑄的鋼種和斷面 , 選擇 最佳的工作拉速 , 以此確定連鑄機的單罐澆注

25、時 間 , 這樣確定的單罐澆注時間 , 既可以比電爐冶 煉周期短 , 也可以比電爐冶煉周期長 , 但兩者應 該接近 。 電爐與連鑄節(jié)奏的不平衡由 LF 爐來調 節(jié) 。 當根據(jù)最佳拉速確定的單罐澆注時間比電爐 52 第 4期 胡維新 :煉鋼和軋鋼連續(xù)生產(chǎn)線調度管理模型 (一 26 煉 鋼 第 18 卷 冶煉周期短時 , 連鑄機不必象小周期配合那樣為 了追求單罐澆注時間與電爐冶煉周期一致而有意 降低鑄機的拉坯速度 , 而電爐在連續(xù)生產(chǎn)一個澆 次的爐數(shù)后 , 停頓的間歇時間比小周期配合時 短 , 從而可以提高設備的利用率和生產(chǎn)能力 。 第三種配合方式的調度表如圖 5 和圖 6 所 示。 為 36 m

26、in 畫出的調度表 。 6 是按 : 電爐冶煉周期 60 min , 爐產(chǎn)鋼水 圖 量 90 t , 生產(chǎn) 180 mm × 180 mm 軸承鋼方坯 , 拉坯 速度1. 5 m/ min ( 外商給定的性能參數(shù) , 由此推算 出單罐澆注時間為 61 min , 比電爐冶煉周期 60 min 略長 , 連澆 4 爐 , 兩個澆次間的連鑄準備時 間為 25 min , 畫出的調度表 。為了避免吊車作業(yè) 相互干擾 , 下一澆次 LF 爐處理第一罐鋼水的周 期由 40 min 調整為 43 min , 相應的 , 電爐冶煉第 二爐鋼水的周期由 60 min 調整為 63 min 。當然 , 在這種情況下 , 也可以將電爐冶煉周期調整為 61 min , 使之與連鑄單罐澆注時間一致 , 形成小周期 配合關系更為合理一些 , 因為這樣做不僅改善匹 配關系 , 而且不影響整條線的生產(chǎn)能力 。 從圖 5 和圖 6 的對比中不難看出 : 在圖 5 中 , 圖5 第三種配合方式調度表 (1