洪宇杰 蒲春雷 高心宇 沈正斌 王天宇

（中冶華天工程技術有限公司  江蘇南京 210008）

摘  要：本文構建了煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法，通過工藝流程分解與耦合，建立數字化模型，模擬仿真煉鋼-連鑄區段物流實際情況，獲得煉鋼-連鑄區段最佳物流管控方案、鋼水生產能力和煉鋼車間理論產能指標等關鍵信息，對新建/改造煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控方案進行仿真論證，解決煉鋼廠煉鋼-連鑄區段項目設計、建設和運營的關鍵問題，減少新建/改造煉鋼廠產能設計誤差、物流沖突等在設計過程中可能忽視或難以發現的設計錯誤，顯著降低煉鋼廠煉鋼-連鑄區段建設的投資成本和風險。本項目通過智慧仿真方法，進一步實現煉鋼廠煉鋼-連鑄區段智能調度，推動我國鋼鐵行業智能制造轉型升級，促進智能化發展。

關鍵詞：物流管控；模擬仿真；智能調度；煉鋼；連鑄

隨著現代科學技術的快速發展，數字化、網絡化、信息化已成為時代的主要特征，鋼鐵行業^[1]面臨著嚴峻的挑戰，如技術創新^[2]、市場競爭、環境資源等問題，這就需要鋼鐵企業不斷創新，提高效率。為了適應全球化大背景下的生產情況，需要采取有效的生產計劃^[3,4]與調度手段，充分利用有限的資源，發揮資源的最大利用率，應對復雜的鋼鐵生產問題，實現生產過程的高效化、連續化。

就煉鋼廠設計施工來說，煉鋼-連鑄生產過程是煉鋼廠生產運行的核心區段，而由于當下生產訂單趨于多品質、小批量、高質量、短周期方向發展，煉鋼廠設計過程中，關于煉鋼-連鑄生產過程物流管控如何實現進一步優化^[5]成為研究熱點，合理的煉鋼-連鑄區段物流管控可以減少鋼包使用數^[6,7]，降低轉爐出鋼溫度^[8]，保持連鑄工序恒拉速澆鑄，進而改進產品質量。目前，煉鋼-連鑄區段物流管控^[9]方案設計主要根據人工經驗，缺乏理論依據作為支撐。因此，必須開發一種煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法，對新建/改造煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控方案、鋼水生產能力和煉鋼車間理論產能指標進行仿真論證，從而降低煉鋼廠生產運行的投資成本，減少新建/改造煉鋼廠產能設計誤差、物流沖突等在設計過程中可能忽視或難以發現的設計錯誤。

1 煉鋼-連鑄設備和區段組件構建

1.1 煉鋼-連鑄區段組件構建

根據煉鋼廠煉鋼-連鑄區段技術方案，將煉鋼廠車間進行劃分，進行區段組件構建。本文以某煉鋼廠為實施例，如圖1所示，將煉鋼廠車間主要劃分為轉爐跨、精煉跨、連鑄跨，劃分結果如圖2所示。

圖1 煉鋼廠技術方案圖

圖2 煉鋼廠車間劃分圖

1.2 煉鋼-連鑄設備組件構建

根據煉鋼廠煉鋼-連鑄區段技術方案，將煉鋼廠煉鋼-連鑄區段設備進行劃分。實施例中，煉鋼廠煉鋼-連鑄區段技術方案如圖1所示，將煉鋼廠煉鋼-連鑄區段設備主要劃分為轉爐、鋼包車、天車、精煉爐、鋼包回轉臺、連鑄機、鋼包，如圖2所示。轉爐為公稱容量170t轉爐、生產優特鋼，鋼包車為自動運行機車牽引的有軌火車，天車為冶金起重機，精煉爐為雙工位LF精煉爐和雙工位RH精煉爐，鋼包回轉臺為自動運行的旋轉機械裝置，連鑄機為連續鑄鋼設備，鋼包為鋼水承載工具。

2 煉鋼-連鑄區段工藝流程和模型構建

2.1 煉鋼-連鑄區段工藝流程構建

根據實施例中煉鋼廠煉鋼-連鑄區段技術方案，如圖1所示，將煉鋼廠煉鋼-連鑄區段工藝流程主要劃分為：

   （1）在轉爐跨，轉爐將冶煉完成鋼水倒入空鋼包內，達到額定裝入量后，鋼包車輛通過軌道將裝滿鋼水的鋼包運輸至精煉跨；

   （2）在精煉跨，將根據訂單對生產模式進行確定；

   （3）在精煉跨，天車將裝滿鋼水的鋼包吊運至精煉爐所對應的鋼包運輸車上，精煉爐所對應的鋼包運輸車將裝滿鋼水的鋼包運輸至精煉位置；同時，天車返回精煉跨初始位置，繼續根據生產模式確定信息，將裝滿鋼水的其他鋼包吊運至精煉爐所對應的其他鋼包運輸車上；

   （4）在精煉跨，精煉爐對裝滿鋼水的鋼包進行精煉處理，之后鋼包運輸車通過軌道將完成精煉工序的鋼包運輸至連鑄跨；

   （5）在連鑄跨，天車將精煉完成的裝滿鋼水的鋼包吊運至連鑄機回轉臺并進行澆注，將澆注完的空鋼包吊運至修包位，然后回到連鑄跨初始位置，等待將下一個裝滿鋼水的其他鋼包吊運至連鑄跨的鋼包回轉臺上；

   （6）在連鑄跨，經天車將精煉完成的裝滿鋼水的鋼包吊運至連鑄機回轉臺后，精煉爐對應的鋼包運輸車返回初始位置，等待精煉跨天車將裝滿鋼水的其他鋼包吊運至鋼包運輸車上；

   （7）重復上述步驟，進行循環，完成煉鋼廠煉鋼-連鑄區段需要的鋼水供應。

2.2 煉鋼-連鑄區段工藝模型構建

根據煉鋼廠車間、煉鋼廠煉鋼-連鑄區段設備和煉鋼廠煉鋼-連鑄區段工藝流程，對轉爐冶煉周期、轉爐跨鋼包車運輸鋼包、精煉跨天車吊運鋼包、LF精煉冶煉周期、RH精煉爐冶煉周期、精煉跨鋼包車運輸鋼包、連鑄跨天車吊運鋼包、連鑄機澆注周期；以及與煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流相關的轉爐跨轉爐煉鋼過程、轉爐跨鋼包車運輸鋼水過程、精煉跨天車吊運鋼包過程、精煉跨精煉爐冶煉過程、精煉跨鋼包車運輸鋼水過程、連鑄跨天車吊運鋼包過程、連鑄跨連鑄機澆注過程分別建立模型，將煉鋼廠煉鋼-連鑄區段工藝流程進行分解。

（1）根據轉爐跨轉爐煉鋼過程，建立轉爐煉鋼模型，根據轉爐冶煉周期和轉爐出鋼量，確定鋼水供應節奏，進而確定轉爐跨鋼包車運輸節奏和后續生產模式選擇，實施例中，170t轉爐的冶煉周期35~45min，出鋼量170~190t/爐，轉爐冶煉完的鋼水需要的鋼包承載量為170~190t//包，一個冶煉周期需要一次轉爐跨鋼包車運輸；

（2）根據轉爐跨鋼包車運輸鋼水過程，建立轉爐跨鋼包車運輸模型，確定轉爐跨鋼包車運輸鋼水模式；實施例中，轉爐跨鋼包車每35~45min從轉爐處接收一次鋼水，鋼包車運輸速度為0~30m/min；

（3）根據精煉跨天車吊運鋼包過程，建立精煉跨天車吊運模型，根據所述的鋼水供應節奏、生產模式、轉爐跨鋼包車運輸模型，在滿足天車作業率的基礎上，確定精煉跨天車作業模式；實施例中，精煉跨有2臺天車，天車控制天車作業率低于80%，天車在70~90min內從轉爐跨鋼包車處吊運一次鋼包，并根據生產模式情況，將鋼包吊運至不同精煉爐處，天車運輸速度為8~80m/min，天車起升速度為1~10m/min；

（4）針對精煉跨精煉爐冶煉過程，建立精煉爐冶煉模型，根據精煉爐精煉周期和精煉模式，確定精煉鋼水供應節奏；實施例中，有4臺LF精煉設備，精煉處理時間60-80min，LF 軟吹時間為30-45min（LF-RH鋼種在LF不進行軟吹，在RH進行軟吹）；有1臺RH精煉設備，RH真空處理時間30-35min，RH軟吹時間30-35min。當冶煉超低碳鋼種（工業純鐵等）RH不軟吹，采用RH處理結束后靜置15-25min；

（5）針對精煉跨鋼包車運輸鋼水過程，建立精煉跨鋼包車運輸模型，確定精煉跨鋼包車運輸鋼水模式；實施例中，LF精煉爐鋼包車每30-45min從LF精煉爐處接收一次鋼水，并將鋼水運送至LF軟吹處軟吹30-45min（LF-RH鋼種在LF不進行軟吹，在RH進行軟吹），之后再將精煉鋼水運送至精煉跨鋼包車運輸軌道末端等待連鑄跨天車吊運；RH精煉爐鋼包車每30-35min從RH精煉爐處接收一次鋼水，并將鋼水運送至RH軟吹處軟吹30-35min（當冶煉超低碳鋼種如工業純鐵等，RH不軟吹，采用RH處理結束后靜置15-25min），之后再將精煉鋼水運送至精煉跨鋼包車運輸軌道末端等待連鑄跨天車吊運。鋼包車運輸速度為0~30m/min；

（6）針對連鑄跨天車吊運鋼包過程，建立連鑄跨天車吊運模型，根據所述的精煉鋼水供應節奏、生產模式、精煉跨鋼包車運輸模型，確定連鑄跨天車作業模式；實施例中，連鑄跨有2臺天車，天車控制天車作業率低于80%，天車每60min左右，根據生產模式情況，從精煉跨鋼包車中選擇并吊運一次鋼包，將鋼包吊運至不同連鑄機處，天車運輸速度為8~80m/min，天車起升速度為1~10m/min；；

（7）針對連鑄跨連鑄機澆注過程，建立連鑄機澆注模型，根據連鑄機澆注周期，確定鋼水澆注節奏；實施例中，由于1#連鑄機的斷面有兩種方案，因此1#連鑄機澆注周期對應兩種情況：①基于小方坯高碳鋼最高拉速設定小方坯的最短澆注周期；②基于鋼水溫降的控制，澆注周期最長在65min，為此設定60min（150/160方）的連鑄機澆注周期；2#CC大方坯基于液芯長度滿足壓下技術要求，設定澆注周期60min（200/240方或280/340方）。每臺連鑄機各對應一個鋼包回轉臺，回轉臺工作速度為1r/min。

3 煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證結果

3.1 煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法邏輯

煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法基于B/S架構，運用Canvas、JS、Vue等技術，將煉鋼廠煉鋼-連鑄區段進行二維數字化處理，生成基于真實物理世界和多維數據映射的數字化模型模擬，仿真模擬煉鋼-連鑄區段物流實際情況。通過構建的轉爐跨鋼包車運輸模型、精煉跨天車吊運模型、精煉跨鋼包車運輸模型、連鑄跨天車吊運模型等，對煉鋼廠實際運行情況進行仿真模擬，進而對煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控方案、鋼水生產能力、煉鋼車間理論產能扽指標進行驗證，邏輯圖如圖3所示。

圖3 煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法邏輯圖

3.2 煉鋼-連鑄區段物流管控仿真結果

耦合上述仿真驗證方法各步驟，運用煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法，對煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控過程進行模擬仿真。實施例1煉鋼廠煉鋼-連鑄區段的物流管控方案一（“一爐一機+兩機部分疊加”生產模式）、方案二（一爐兩機生產模式）經仿真驗證：物流運行順暢、鋼水生產能力和煉鋼車間理論產能均能達到200萬噸/年，設計方案可行，可進行下一步施工操作。

4 結論

本文根據煉鋼廠煉鋼-連鑄區段技術方案，通過轉爐煉鋼模型、轉爐跨鋼包車運輸模型、精煉跨天車吊運模型、精煉爐冶煉模型、精煉跨鋼包車運輸模型、連鑄跨天車吊運模型和連鑄機澆注模型的分解與耦合，基于流程自動化、模型數字化、決策智能化，形成煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控仿真驗證方法，對新建/改造煉鋼廠煉鋼-連鑄區段物流管控方案進行仿真論證，在設計方案正式施工前得到煉鋼廠煉鋼-連鑄區段的物流管控方案、鋼水生產能力和煉鋼車間理論產能指標，解決煉鋼廠煉鋼-連鑄區段項目設計、建設和運營的關鍵問題，減少新建/改造煉鋼廠產能設計誤差、物流沖突等在設計過程中可能忽視或難以發現的設計錯誤，顯著降低煉鋼廠煉鋼-連鑄區段建設的投資成本和風險。

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