特殊煉鋼冶煉-連鑄調度策略研究

特殊煉鋼冶煉-連鑄調度策略研究

隨著科學技術的進步和市場競爭的加劇，鋼鐵工業(yè)將朝著高效、低效、穩(wěn)定生產的方向發(fā)展。生產計劃和規(guī)劃在提高扎里循環(huán)生產過程中起著重要作用。這是現(xiàn)代鋼鐵生產管理系統(tǒng)的核心功能。鋼屑生產連鑄帶在鋼產量生產過程中發(fā)揮著重要作用。鐵水通過精煉裝置、連鑄機形成鋼渣。生產計劃的目標是通過制定合理的生產計劃，充分利用現(xiàn)有設備資源，減少等待的時間，消除生產過程中的操作沖突，并進行最大的連鑄機連接和功率。除了一般機械工業(yè)的生產調度限制外,由于鋼鐵生產在高溫下進行,發(fā)生由液態(tài)鋼水到固態(tài)鋼坯的轉變,再加上物質量和時間等嚴格的連續(xù)性要求,使得煉鋼-連鑄調度問題非常復雜.近年來,國內外學者對鋼廠計劃調度問題進行了大量研究.文獻采用動態(tài)模擬對從連鑄到熱軋的調動實踐進行了評估,通過及時更新調度計劃,達到穩(wěn)定生產、提高能源效率的目的;為消除調度順行與提高能源效率之間的沖突,文獻將智能體方法應用于鋼鐵制造系統(tǒng),使得操作簡捷易行,經(jīng)濟效益提高;文獻采用一種啟發(fā)式算法,達到了提高鋼廠生產效率、減少產品滯留時間的目的;針對煉鋼-連鑄調度問題,文獻提出一種HANO算法;文獻將拉格朗日松弛法應用于煉鋼-連鑄-熱軋生產調度模型中,并進行了大規(guī)模復雜調度問題的求解;文獻采用遺傳算法來解決煉鋼廠的煉鋼-連鑄調度問題,滿足了生產實際的需求:文獻建立了一個將溫度預測和生產調度集成的模型,使得鋼水質量合格、連鑄連澆及達到節(jié)約能源的目的.上述研究對于一般情形下的鋼鐵生產調度問題的性質與方法進行了有益的探索.然而對于特殊鋼廠,由于鋼種及其工藝路線的嚴格限制,增加了調度的難度,使得已有的智能算法在模型求解過程中并不能很好的應用.本文針對特殊鋼廠的實際調度問題,建立了多目標優(yōu)化調度模型.模型經(jīng)過靜態(tài)調度得出初始調度計劃;而當生產出現(xiàn)異常時,采用動態(tài)調度策略對初始調度計劃進行調整.最后以國內某特殊鋼廠煉鋼-連鑄調度計劃的制定實例來驗證模型的有效性.1連通性-精煉連通性生產計劃模型1.1特殊鋼煉鋼生產的基本情況和主要設備生產調度實質上是在批量計劃的基礎上得出生產調度計劃,是生產作業(yè)計劃的執(zhí)行及其調整過程.鋼廠煉鋼-連鑄生產調度是指根據(jù)生產計劃,確定各個澆次計劃在相應連鑄機上的開澆時刻以及各個爐次計劃在相應設備上作業(yè)開始及結束時刻,即生產調度計劃:同時,執(zhí)行生產調度計劃,并根據(jù)實際生產過程中的不確定性因素,對其進行重新編排的過程.調度的目標是使各生產爐次在各工序上時間、溫度和成分符合要求,生產高效、低耗、連續(xù)和穩(wěn)定運行.特殊鋼廠煉鋼-連鑄生產過程主要包括冶煉、二次冶金(精煉)和連鑄三個工序,生產鋼種主要有常規(guī)鋼和品種鋼.由于在生產不同的鋼種時,需要采用不同的精煉設備,使得特殊鋼廠具有多條工藝路線.此外,不同連鑄機生產不同鋼種時,對應的中間包壽命(一個中間包所能生產的最大爐次數(shù))也不相同,因此,特殊鋼廠煉鋼-連鑄生產過程具有設備多、模式多、路線多和擾動多的特點,致使調度過程制約條件眾多.特殊鋼廠煉鋼-連鑄生產工藝流程及主要設備如圖1所示(本文不考慮模鑄).由于生產鋼種的不同,煉鋼廠冶煉工序生產設備可能為轉爐或電爐,精煉工序生產設備可能為Ar站、LF或VD或RH或VOD等,連鑄工序生產設備為連鑄機.其中,BOF(basicoxygenfurnace)為轉爐,EAF(electricarcfurnace)為電弧爐,Ar站(argonblowingstation)為氬站,LF(ladlefurnace)為鋼包精煉爐,RH(RuhrstahlHeraeus)為循環(huán)真空脫氣設備,VD(vacuumdegassing)為真空脫氣設備,VOD(vacuumoxygendecarburization)為真空吹氧脫碳設備,CC(continuouscaster)為連鑄機.1.2供應狀況與作業(yè)周期的關系鋼鐵制造流程是一個復雜過程系統(tǒng),鋼鐵生產過程是一個準連續(xù)或間歇生產過程.在煉鋼廠實際生產過程中,充足的原材料供應、穩(wěn)定的設備狀況是生產穩(wěn)定、順行的前提.通過調研發(fā)現(xiàn),煉鋼廠的各生產設備的作業(yè)周期都會在一定范圍內波動.為此,作如下假設:(1)生產穩(wěn)定,鐵水供應充足;(2)各設備運行正常,無故障:(3)生產澆次計劃已知(澆次數(shù)已知,各澆次內爐次數(shù)已知).1.3cc1工藝參數(shù)主要包括為敘述方便,引入下列符號:LT(ladleturret)—鋼包回轉臺;m—總澆次數(shù);n—總爐次數(shù);L—總設備數(shù);i—澆次號,i=1,2,…,m;ni—第i澆次所包含的爐次數(shù),滿足;j—爐次號,j=1,2,…,ni;k—工序代碼,k=1,2,3(分別對應冶煉、精煉和連鑄工序);l—設備號,l=1,2,…,L;ci—澆次i由于生產所對應的煉鋼爐不同,被分成的區(qū)間個數(shù);ni,Ci—澆次i被分成的第ci區(qū)間內所包含爐次數(shù);—第i澆次第j爐次在工序k作業(yè)開始時刻;—第i澆次第j爐次在工序k實際作業(yè)開始時刻:—第i澆次第j爐次在工序k作業(yè)結束時刻;—第i澆次第j爐次在工序k實際作業(yè)結束時刻;—第i澆次第j爐次在工序k作業(yè)周期;—第i澆次第j爐次在工序k的最大作業(yè)周期;—第i澆次第j爐次在工序k實際作業(yè)周期;—鋼包回轉臺轉動時間;—回轉臺待澆時間;—CC1的澆注周期(CC1指1號連鑄機);—第k-1工序到第k工序間的運輸時間(k=2,3):—第i澆次的計劃開澆時刻;tEA—同一臺連鑄機生產澆次之間的設備調整時間;—同一臺連鑄機生產澆次之間的實際設備調整時間;—同一設備上第j爐次結束時刻與下一爐次開始時刻間的實際間隔時間.1.4目標函數(shù)及約束條件在澆次計劃的基礎上,基于以上問題描述及模型假設,建立如下煉鋼-連鑄生產調度模型.式(1)是基于縮短整個煉鋼-連鑄過程生產計劃的生產時間建立的目標函數(shù);式(2)是基于縮短過程等待時間建立的目標函數(shù)(過程等待時間指生產過程中除了各設備作業(yè)時間及工序間運輸時間之外的非生產時間);式(3)是基于提高冶煉工序作業(yè)率而建立的目標函數(shù).式(4)～(10)為目標函數(shù)對應的約束條件.其中,式(4)表示某一爐次在某—工序作業(yè)結束時刻早于其在下一工序作業(yè)開始時刻;式(5)表示各設備連續(xù)生產約束;式(6)和式(7)表示一臺設備不能同時生產多個爐次:式(8)為設備析取約束;式(9)為同一個澆次內不同爐次之間滿足連鑄機連澆約束;式(10)表示連鑄機生產的不同澆次之間有一個設備調整時間.在煉鋼-連鑄調度模型的基礎上,利用靜態(tài)調度策略,可以對模型進行求解得出合理的調度時刻表,并且當生產出現(xiàn)異常時,根據(jù)動態(tài)調度策略,能夠采取相應的處理措施,從而使實際調度過程高效、穩(wěn)定地進行.2按“能耗最小”原則確定作業(yè)周期鋼廠生產系統(tǒng)的運行,應遵循基本的運行原則,主要包括“爐機對應”原則、“能耗最小”原則、“拉速決定流量”原則、“連澆”原則.根據(jù)“爐機對應”原則,在煉鋼系統(tǒng)中,主要生產工序——煉鋼工序和連鑄工序,應確立明確的對應關系,才能使生產模式簡捷優(yōu)化,生產組織便利順暢.根據(jù)“能耗最小”原則,應充分利用調度功能,減少各工位鋼水等待時間以及鋼水在不同工位之間的運輸時間.另外,由于連鑄機的開機需要較大的花費,因此在保證鋼水成分、溫度合格的前提下,應盡量實現(xiàn)多爐連澆.煉鋼車間保證全部連鑄機能夠實現(xiàn)多爐連澆的必要條件是冶煉工序的生產能力大于連鑄工序的生產能力.各設備作業(yè)周期范圍可通過對生產過程各工位作業(yè)時間的解析得到.在無作業(yè)沖突的情況下,全部采用最小作業(yè)周期;若遇到作業(yè)沖突,各作業(yè)周期應采用能夠消除沖突的最小值.這樣即可達到在無沖突情形下縮短過程生產時間和等待時間的目標.實際生產中,爐機匹配關系應遵循“爐機對應”原則.根據(jù)煉鋼爐(本文以轉爐為例)和連鑄機作業(yè)周期的不同對應關系,“爐機對應”下的生產模式可分為“一爐對一機”和“定爐對定機”生產模式.各生產模式下的模型求解方法,下面分別予以闡述.2.1最大爐數(shù)連澆型若各轉爐的冶煉周期短于對應連鑄機的澆注周期,則可實現(xiàn)“一爐對一機”的簡捷生產模式,如圖2所示.其中,SR(secondaryrefining)為二次冶金設備,BOF1為1號轉爐,其余類同.對于這種較為簡單的模式,在按中間包使用壽命生產的前提下,各連鑄機可以實現(xiàn)最大爐數(shù)連澆.結合式(9)和式(10)及以下各式,各工序作業(yè)時刻可由連鑄工序逆向倒推計算.2.2生產方法及爐次如果一個煉鋼車間至少存在一個轉爐,其冶煉周期長于對應連鑄機的澆注周期,而其余轉爐的冶煉周期短于對應連鑄機的澆注周期,若要實現(xiàn)所有連鑄機盡可能多爐連澆,則需要在各轉爐之間平衡生產能力.由于不同澆次鋼水的生產設備(如轉爐)可能相同,使得不同澆次之間會有一定的相互影響.因此,不同連鑄機生產的各澆次鋼水都存在合理的開澆時刻.這種情形下的生產模式即為“定爐對定機”模式.圖3為一類典型的“定爐對定機”生產模式,該模式下的某煉鋼車間有兩座轉爐,兩個Ar站,一座LF,兩臺連鑄機,生產鋼種有常規(guī)鋼(工藝路線為BOF→Ar站→CC)和品種鋼(工藝路線為BOF→LF→CC).此種生產模式較為復雜,其中BOF1的冶煉周期短于CC1的澆注周期(BOF1的生產能力大于CC1的生產能力),BOF2的冶煉周期長于CC2的澆注周期(BOF2的生產能力小于CC2的生產能力).因此,若要滿足兩臺連鑄機均能多爐連澆,需要平衡兩座轉爐的生產能力.生產方法為:BOF1主要為CC1提供鋼水,同時為滿足CC2連澆,還要為CC2提供一部分鋼水;BOF2全部為CC2提供鋼水.因此,BOF1與BOF2所生產爐次被劃分為多個區(qū)間,每個區(qū)間爐次數(shù)可由以下各式確定(以澆次1、2為例,假設將澆次1安排到CC1生產,澆次2安排到CC2生產;本文僅給出BOF1與BOF2前兩區(qū)間的爐次數(shù)計算公式,后續(xù)各區(qū)間所含爐次數(shù)計算方法與之相同).現(xiàn)對以上各式作簡單說明.CC2所生產爐次鋼水主要由BOF2提供,但BOF2冶煉周期長于CC2澆注周期,故需增加過程緩沖時間來保證CC1與CC2連澆.n2,1為在緩沖時間范圍內由BOF2所生產最大爐次數(shù),第n2,1+1爐則改由BOF1提供,第n2,1+2～n2,1+n2,2+1爐則繼續(xù)由BOF2提供,其余含義相同.因為CC1的澆注周期長于BOF1冶煉周期,所以BOF1能夠提供一部分鋼水供CC2.n1,1為BOF1提供給CC2第一爐鋼水之前,需要提供給CC1的爐次數(shù).因此,CC1與CC2存在合理的開澆時刻,CC1的開澆時刻可根據(jù)CC2的開澆時刻進行確定.為BOF1提供給CC2的爐次總數(shù).設定CC2的開澆時刻,由以下各式可得出CC1合理的開澆時刻:根據(jù)式(11)～(13),可由計算得出,則CC1的開澆時刻可通過下式計算:再結合式(11)～(13),各爐次在各設備上的作業(yè)時刻即可確定.3生產系統(tǒng)故障的調度實際生產過程中,原定的生產計劃常常會由于異常而不能被嚴格執(zhí)行,需要實時調整.動態(tài)調整的目標是盡量滿足連鑄機連澆,利用緩沖設備處理生產過程異常狀況,盡量減少對原定計劃的修改.實際生產情況的多變性和不穩(wěn)定性,使得動態(tài)調度非常困難.在鋼鐵生產過程中,動態(tài)調度問題受諸多因素的影響,具有多目標、多約束的特點,需要根據(jù)對各設備運行狀況的監(jiān)控,快速應對設備故障等異常情況.生產過程的隨機擾動因素很多,有任務擾動、設備擾動、生產工藝擾動和時間擾動等.調度規(guī)則由于具有計算量小、效率高和實時性好等優(yōu)點,適用于動態(tài)調度.為此,可根據(jù)各鋼廠具體情況,按照現(xiàn)場生產的經(jīng)驗,建立針對不同異常情況下所采取處理策略的方法庫.當遇到異常情況時,可根據(jù)方法庫中的對策進行相應的處理,以提高運行效率,減少生產中斷.同樣,在生產系統(tǒng)維護過程中,也應采取一定的措施協(xié)調煉鋼-連鑄工序集之間的關系,調控系統(tǒng)運行節(jié)奏,使生產穩(wěn)定有序運行,在煉鋼-連鑄生產過程中,經(jīng)常會發(fā)生擾動,原定的作業(yè)計劃可能需要經(jīng)常調整.在實際調度過程中,減少對原定調度計劃的修改能夠使整個煉鋼廠生產穩(wěn)定順行,而生產爐次的設備變更無疑會增加設備調整費用,并且需要重新調整生產計劃,對生產帶來不穩(wěn)定因素.因此,在調度過程中,若設備未出現(xiàn)故障,應盡量不調整各爐次生產設備.針對不同的擾動,應采取如下調度規(guī)則進行調整.規(guī)則1若某一爐次出鋼時刻延遲,延遲時間在精煉工序緩沖范圍內,即滿足則利用精煉工序進行緩沖,而不改變連鑄工序作業(yè)時刻和后續(xù)爐次作業(yè)時刻.規(guī)則2若某一爐次出鋼時刻延遲,延遲時間不在精煉工序緩沖范圍內,即不滿足式(24),則該爐次在經(jīng)過精煉工序緩沖后,再通過降低前一爐次在連鑄機的拉速,通過連鑄工序進行緩沖:后續(xù)爐次在各工序作業(yè)時刻需要相應延遲.同一爐次不同工序間的作業(yè)時刻按式(27)進行調整,同一設備上同一澆次及相鄰澆次的前后爐次之間的作業(yè)時刻可分別按式(28)和(29)進行調整.規(guī)則3若某一爐次出鋼延遲時間大于精煉工序和連鑄工序緩沖時間之和,即滿足則連鑄機停澆.規(guī)則4若某一爐次在連鑄機上作業(yè)結束時刻延遲,則此設備上后續(xù)爐次作業(yè)時刻相應延遲,可按式(27)～(29)進行調整.規(guī)則5由于各澆次開澆時,中間包內襯溫度比鋼水溫度低,需要吸收熱量,因此各澆次開澆第一爐次,需要根據(jù)不同的鋼種相應提高出鋼溫度;由于提高出鋼溫度而造成的煉鋼爐作業(yè)周期延長、出鋼時刻延遲,可按規(guī)則1、2和3進行判斷,對生產計劃作出相應調整.規(guī)則6若某一爐次在某一工序上作業(yè)結束時刻提前,則在生產允許范圍內,可通過減少過程等待時間,提前下一工序開始作業(yè)時刻,并調整后續(xù)爐次作業(yè)時刻,以加快生產節(jié)奏,增加產量.下一工序作業(yè)開始時刻調整方法為后續(xù)爐次作業(yè)時刻按式(27)～(29)進行調整.根據(jù)以上調整規(guī)則,通過實時調整調度計劃,則可達到動態(tài)調度的目的.4生產模式優(yōu)化根據(jù)前文所述的模型及求解方法,以某特鋼廠轉爐-連鑄生產工藝流程為背景,對模型進行仿真檢驗.該鋼廠有三座轉爐、三個氬站(一個備用)、兩座LF和三臺連鑄機,生產鋼種有常規(guī)鋼和品種鋼.本文采用MicrosoftVisualC#語言進行仿真,實驗環(huán)境為Pentium(R)Dual-CoreCPU/3.20HZ/2.00GB/Windows7.生產品種鋼時需要經(jīng)過LF工序精煉;若生產常規(guī)鋼,鋼水只進行吹Ar精煉.實際生產過程沒有固定的模式,通過對生產流程的深入解析,本文對其生產模式進行優(yōu)化,采用如圖4所示的較為簡捷合理的生產模式.本文對三臺連鑄機(各生產一個澆次)同時進行生產的情況進行仿真實驗.其中1號澆次為CC1所生產澆次,包含15個爐次,生產鋼種為SUP9(品種鋼);2號澆次為CC2所生產澆次