鋼鐵制造流程多維物流管制研究

鋼鐵制造流程多維物流管制研究

1鋼鐵制造流程多維物流管制理論,是一個跨鋼鐵制造流程體系是一個過程體系，它結(jié)合了物態(tài)轉(zhuǎn)換、物理控制和物流控制系統(tǒng)。這是一個巨大的多層幾維物流控制系統(tǒng)。它隸屬于制造業(yè)中的過程工業(yè),是將原料經(jīng)一系列的改變其物理、化學性質(zhì)為目的加工—變形處理,獲得具有特定物理化學性質(zhì)或特定用途產(chǎn)品的工業(yè)。研究探索鋼鐵制造流程系統(tǒng)要依照研究過程工程的入手點,首先從制造過程整體的高度來研究認識整個工藝流程中的物質(zhì)流、能量流、信息流的優(yōu)化集成問題,揭示它的本質(zhì)和運行規(guī)律,進而指導企業(yè)生產(chǎn)運行、工業(yè)設計和技術改造、結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)規(guī)模合理化以及企業(yè)未來發(fā)展方向等問題。基于鋼鐵制造流程長、工序多且在制品需高溫處理并于流程中形狀會出現(xiàn)顯著物理和化學變化、流程中的物料流是時間、物料、能量、質(zhì)量和信息五大因素的載體和基礎的特點,中國工程院殷瑞鈺院士在國內(nèi)首次提出了“鋼鐵制造流程多維物流管制”新概念。鋼鐵制造流程的多維物流管制理論是以冶金理論和工藝研究為基礎,運用系統(tǒng)的觀點從整體工程的高度概括了冶金生產(chǎn)流程的本質(zhì)和特征,提出了現(xiàn)代冶金工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整的有關理論,用于指導我國鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。其中既要從市場、原料、能源、環(huán)保等大方面來考慮企業(yè)的發(fā)展,也要對系統(tǒng)內(nèi)部各種功能集和關系集加以研究。它將涉及到冶金學、金屬材料學、金屬工藝學、冶金物理化學、技術經(jīng)濟學、工程經(jīng)濟學、管理學、系統(tǒng)工程學以及信息科學等多種學科,運用綜合科學知識來對冶金物料、能源、運輸、在制品狀態(tài)、形狀、質(zhì)量、溫度、壓力的變化,工序功能與時間節(jié)奏關系及其它諸多信息加以研究,同時還將延伸到企業(yè)規(guī)劃的總圖布置制定、市場分析、投資決策、環(huán)境保護、自動化及計算機應用等多方面的研究內(nèi)容。鋼鐵制造流程多維物流管制是一系統(tǒng)的整體性的科學,是從過程的整體上來研究復雜性問題的學問。2連鑄工藝的發(fā)展和完善鋼鐵冶金工藝理論研究隨著21世紀鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展和當代科學技術革命的深化而不斷充實、發(fā)展和更新。當代冶金學理論涵蓋面極寬,但應看到鋼鐵生產(chǎn)原理至今并無根本性變化,只是隨著基礎理論的深化和各種成功實驗的開發(fā),鋼鐵生產(chǎn)過程中各工序的技術表達方式已經(jīng)并將進一步發(fā)生明顯變化,大體上是按照工序功能分析、分解和優(yōu)化、工序功能在工程上的組合和工序間的銜接、匹配等途徑,以革命的或漸進的方式發(fā)展。鋼鐵工業(yè)誕生初期進入工業(yè)化階段后,生產(chǎn)是建立在技藝傳授基礎上;到20世紀30~50年代,鋼鐵制造有了相應理論作指導;70年代隨著熱力學、動力學、反應工程學、金屬物理等研究的不斷深入,相繼出現(xiàn)了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐、精煉爐、大型高爐、高速軋機等設備,流程技術含金量越來越高,鋼鐵工業(yè)取得了長足進步,但研究工作仍停留在某一反應、某一單元裝置功能上,沒有達到全流程范圍的提高;70~80年代隨著金屬凝固理論的深化和能源價格上升,連鑄技術得以迅速發(fā)展,直至全連鑄流程興起,致使初軋機、平爐被淘汰,鋼廠產(chǎn)品向?qū)I(yè)化、系列化發(fā)展,人們開始注意從鋼廠整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā),在各工序功能分解、優(yōu)化的基礎上,對相鄰工序功能的銜接、匹配以及若干區(qū)段內(nèi)流程系統(tǒng)的重組;1989年以來,近終型連鑄技術問世,薄板坯連鑄連軋工藝得以工藝化,出現(xiàn)了全新的“緊湊化”流程的鋼廠,整個工廠的流程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制、協(xié)調(diào)和優(yōu)化提到突出位置上,鋼廠設計的工程邏輯由原有的“疊加—蔓延—萬能化”向“臨界—緊湊—專業(yè)化”方向邁進,鋼廠在向以多維物流管制系統(tǒng)為目標的高技術集成方向升華,鋼廠結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。冶金工作者們隨著鋼鐵制造流程的不斷演進,逐漸認識到鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程是一個有自身特點的多維物流管制體系,企業(yè)物流系統(tǒng)的改進和完善是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的根本保證。隨著科學的進步、技術的發(fā)展、計算機的廣泛應用,對鋼鐵制造過程多維物流管制展開研究勢在必行,并將逐步形成一類綜合性的學科分支。殷院士從工程科學角度分析了鋼鐵制造流程在二次大戰(zhàn)后的演變趨勢,總結(jié)了20世紀以來冶金工序功能演進和鋼廠結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展規(guī)律,對鋼鐵制造流程的結(jié)構(gòu)和功能加以抽象,提出了鋼鐵制造流程多維物流管制系統(tǒng)的思想。他認為必須從過程的整體上來研究鋼鐵制造這一復雜問題,通過對整個過程整體優(yōu)化的原則來對流程中各工序/裝置的功能進行解析和綜合集成,將金屬生產(chǎn)過程中的物態(tài)轉(zhuǎn)變、物性控制和物流管制結(jié)合在一起進行整體研究,并解決好過程中的工序集、工序功能集、工序關系集的綜合優(yōu)化。他還從系統(tǒng)整體高度對鋼鐵制造流程多維物流管制剖析,認為流程及其中每一工序都具有“準連續(xù)/間隙”運行性質(zhì),指出流程是由“剛性組元”和“柔性組元”構(gòu)成的“粘性”連續(xù)系統(tǒng)。對各工序功能本質(zhì)進行解析后可看出各工序都具有多文化內(nèi)涵,某一種功能也可在多個工序中實現(xiàn),為此必然會出現(xiàn)優(yōu)化的工序功能在工程上重新組合優(yōu)化,進而推進區(qū)段過程的組合優(yōu)化,最終實現(xiàn)全流程的組合優(yōu)化。他先后在國內(nèi)期刊上發(fā)表了“鋼鐵制造流程的多維物流控制系統(tǒng)”、“冶金工序功能的演進和鋼廠結(jié)構(gòu)優(yōu)化”、“關于鋼鐵制造流程的發(fā)展和重構(gòu)問題”、“鋼鐵制造流程的解析和集成”、“薄板坯連鑄連軋的發(fā)展趨勢和工程投資問題”等46篇論文,為國內(nèi)開展這方面的研究明確了方向、奠定了基礎。3在線調(diào)度方法在鋼鐵制造領域的應用,可以最大限度地降低物流管制成本。在連鑄上世紀90年代初,我國一批有遠見的冶金工作者開始對鋼鐵制造過程物流管制進行研究。北京科技大學冶金戰(zhàn)略與工程研究中心近10年來圍繞這個課題開展了深入細致的科研工作。(1)以提高連鑄比作為鋼廠結(jié)構(gòu)調(diào)整的核心,在實現(xiàn)全連鑄化的鋼廠開展工作,首先對各工序間的物流參數(shù)進行跟蹤實測,掌握大量實際數(shù)據(jù)的基礎上加以統(tǒng)計、歸納,運用網(wǎng)絡學、概率統(tǒng)計等知識對各工序的生產(chǎn)能力和工序之間的銜接作了核定。以上鋼三廠(浦東)轉(zhuǎn)爐車間為研究對象,找出了全連鑄生產(chǎn)模式下的最佳模式和制約生產(chǎn)能力的“瓶頸”。在此基礎上運用排隊論方法,在實驗室內(nèi)建立了全連鑄生產(chǎn)的計算機輔助調(diào)度系統(tǒng)模型,離線運行期間曾接待30多家企業(yè)、科研院所技術人員參觀,為日后現(xiàn)廠實際建站做好了準備。(2)深入廣鋼、安鋼、唐鋼、濟鋼、寶鋼、首鋼、重鋼等各類型生產(chǎn)廠開展調(diào)研,總結(jié)出全連鑄過程物流管制中溫度、時間和物質(zhì)量之間的關系,對全連鑄系統(tǒng)的輸入輸出模型和狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型作了數(shù)學描述。又針對生產(chǎn)過程中物流管制論要素及資源信息的要求,構(gòu)造了系統(tǒng)整體框架及計算機上實現(xiàn)調(diào)控的總體結(jié)構(gòu),建立了相應的對象類及物理模型,綜合考慮了全連鑄物流管制不同優(yōu)化的研究方法,編制出全連鑄生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)軟件。全連鑄生產(chǎn)體制下的調(diào)度系統(tǒng)是全連鑄鋼廠物流管制的核心,以實際生產(chǎn)需求為制定原則,確立系統(tǒng)中不同層次數(shù)據(jù)流的遞階協(xié)調(diào)關系和指令流中阻塞/中斷模型、沖突模型、故障模型和優(yōu)化模型。根據(jù)全連鑄生產(chǎn)的可調(diào)度工序的定義與調(diào)度過程的約束條件,建立了相應數(shù)據(jù)庫,最終可滿足實際生產(chǎn)中在線應用,提高調(diào)度水平,降低勞動強度。(3)以寶鋼為基地,長期開展大型聯(lián)合企業(yè)的物流管制研究工作,利用生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫,解析了轉(zhuǎn)爐煉鋼廠的時間—溫度因素,對生產(chǎn)過程的溫降加以分析計算,得出生產(chǎn)流程各工位間的溫降及溫降速率,在此基礎上根據(jù)連鑄中間包鋼水溫度反推各工序的控制溫度,制定出合理溫度制度。并對寶鋼煉鋼廠鋼包運轉(zhuǎn)兩個階段滿包和空包的傳擱過程跟蹤實測,分階段建立了鋼包運轉(zhuǎn)的數(shù)理模型,提出了鋼包傳熱問題的反問題研究方法,為鋼包熱運轉(zhuǎn)模型的在線應用和鋼水溫度的在線預定奠定了基礎,優(yōu)化了鋼包運轉(zhuǎn),減少了鋼包運轉(zhuǎn)個數(shù)。(4)圍繞鋼鐵制造流程高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段物流過程,結(jié)合寶鋼具體情況開展了“多對多”和“1對1”兩種高度—轉(zhuǎn)爐匹配布置的工序分解和集成研究,對寶鋼鐵水供應過程時間、溫度、鐵水量予以實測和統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)工序作業(yè)過程時間由正態(tài)分布經(jīng)威布爾分布向指數(shù)分布轉(zhuǎn)變的變化規(guī)律,可知變前簡單工序過程時間分布預示著復雜作業(yè)工序的過程時間的未來分布規(guī)律(即向指數(shù)分布方向趨近的觀點)?？偨Y(jié)出鐵水管制中應以鐵水重量控制為基礎、時間對應為前提、位置對應是保證、成分對應是關鍵的實際操作應遵循的方針。在此基礎上對寶鋼煉鐵—煉鋼銜接區(qū)段的鐵水調(diào)度、鐵水脫S和鐵水溫度,從物流管制角度逐一加以分析,量化了TPC(魚雷罐車)周轉(zhuǎn)過程中各個工序點間的時間要素,對現(xiàn)有鐵水管理機的功能做了歸納和優(yōu)化,建立了相應的邏輯模型、鐵水降溫離線和在線計算模型、鐵水調(diào)度及魚雷罐車調(diào)度模型。選擇寶鋼鐵水脫硫模式,開發(fā)出可靠、實用的優(yōu)化預定系統(tǒng)。上述工作不僅可找到高爐—轉(zhuǎn)爐區(qū)段穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)時各工序生產(chǎn)率之間的關系,還為今后鋼鐵企業(yè)的選定高爐個數(shù)和布置以及鐵水在線“全三脫”煉鋼廠轉(zhuǎn)爐布置展示了合理方案。(5)針對我國鋼鐵企業(yè)中有很多長材型煉鋼廠的特點,對長材型全連鑄電爐煉鋼廠和轉(zhuǎn)爐高效連鑄煉鋼廠過程物流解析及模式優(yōu)化分別逐一研究。通過電弧爐供能問題、連鑄機澆鋼過程物質(zhì)量分析、精煉工序/裝置的時間位選擇、不同平臺布置下的鋼包運轉(zhuǎn)路線及其時間因素的影響以及全連鑄體制下電爐煉鋼廠時間因素上的銜接匹配等現(xiàn)代長材型電爐鋼廠的運行特征分析,得出有效控制電爐出鋼、出鋼時間是取得效益最基本的策略;找到以現(xiàn)有小方坯連鑄機的技術水平,在滿足一定產(chǎn)量和鑄機作業(yè)率所需的流數(shù)和拉速的合理值;通過過程多維物流解析研究最終可獲得優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式和運行方式。同時從時間、溫度兩主要參數(shù)入手,對國內(nèi)4個典型長材型的轉(zhuǎn)爐高效連鑄鋼廠運行過程進行了解析,得出過程時間—溫度運行規(guī)律,總結(jié)出了煉鋼廠運行系統(tǒng)的優(yōu)化邏輯與實現(xiàn)的關系應為2爐—2機、3爐—3機方案最佳。上述工作為國內(nèi)年產(chǎn)百萬噸級的長材型電爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼廠的優(yōu)化運行找到了依據(jù)。(6)計算機輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的成功在線應用。依據(jù)鋼鐵制造流程多維物流管制系統(tǒng)理論和冶金學理論,在廣泛開展調(diào)研的基礎上獲取大量實測數(shù)據(jù),應用有關統(tǒng)計學理論對數(shù)據(jù)加以處理,充分考慮現(xiàn)廠的生產(chǎn)設備、環(huán)境對其物流狀況的影響,尋找影響物流順行的因素,經(jīng)對時間、溫度等參數(shù)解析基礎上總結(jié)出各工序生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化值和合理生產(chǎn)模式,最后借助計算機編制出輔助生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)軟件,充分利用計算機高效運算、網(wǎng)絡傳輸性能,可做到生產(chǎn)計劃實時、快速、合理調(diào)整,有效地指導生產(chǎn),為企業(yè)真正實現(xiàn)優(yōu)化、高效、高速、高生產(chǎn)率提供了保證?，F(xiàn)已在重鋼七廠、首鋼三煉鋼、八鋼轉(zhuǎn)爐廠建站,其中重鋼項目已通過“九五”雙重課題驗收鑒定。(7)薄板坯連鑄連軋流程物流仿真系統(tǒng)的開發(fā)。隨著近年來薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線在世界各地紛紛建成,我國引進的3條CSP生產(chǎn)線的正式投產(chǎn)和該生產(chǎn)線在國內(nèi)繼續(xù)發(fā)展的前景判斷,自2000年開展了針對流程工藝的生產(chǎn)過程和調(diào)度策略的研究,借助系統(tǒng)仿真技術,在充分研究薄板坯連鑄連軋工藝的基礎上,綜合利用面向?qū)ο蠹夹g、數(shù)據(jù)庫技術、通訊技術、排隊論、產(chǎn)生式規(guī)則方法和離散事件分析方法,對該流程進行了系統(tǒng)仿真,借助計算機運行仿真模型。編制出的仿真系統(tǒng)軟件可模擬實際生產(chǎn)過程的運行狀態(tài)及其隨時間變化的過程,隨時可觀察、統(tǒng)計仿真運行過程中諸參數(shù),有助于操作人員熟悉工藝流程,既可為生產(chǎn)前作準備,也可作為正常生產(chǎn)時的指導。此項工作是薄板坯連鑄連軋流程物流管制系統(tǒng)中自動調(diào)控機制在線應用的基礎。4鋼鐵制造流程的解析與集成連續(xù)6年鋼材量超過一億t的事實,使我國已成為世界第一產(chǎn)鋼大國。鋼鐵工業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展,已形成了具有中國特色的完整工業(yè)體系。進入21世紀來,擺在面前的問題是如何應對品種、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)及市場競爭力等多方面挑戰(zhàn)。只有盡快加速我國鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐,變粗放型為集約型,用先進的科學理論指導企業(yè)逐步完成技術改造,才能最終實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)的整體優(yōu)化,真正以一個鋼鐵強國立足于世界。1999年10月26日在北京香山召開了“鋼鐵制造流程的解析與集成”為題的第125次科學會議,國內(nèi)科學界、工程界有識之士一致認為鋼鐵制造流程多維物流管制是一新的研究開發(fā)領域,鋼鐵工業(yè)要想具備市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展動力,必須做到環(huán)境友好、低成本、低價格、高質(zhì)量,為此需以新的視角認識自身問題,提出新的概念來解決目前存在的諸多不合理。運用系統(tǒng)科學、冶金過程學、信息科學、管理科學、數(shù)理知識、經(jīng)濟學等知識,對鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程優(yōu)化重組,對裝備功能水平及能力評估和開發(fā),對鋼廠合理規(guī)模以及環(huán)境友好程度妥善安排,開展工序及工序功能集的解析優(yōu)化,工序關系集的協(xié)調(diào)優(yōu)化和流程工序集的重構(gòu)優(yōu)化是刻不容緩的研究核心。鋼鐵制造流程多維物流管制是一門應鋼鐵工業(yè)發(fā)展的實際需要而產(chǎn)生的學問,又是立足于現(xiàn)在,把握未來的科學,是鋼鐵制造過程工程中的重要組成部分。目