探究煉鋼-連鑄生產(chǎn)啟發(fā)式調(diào)度方法

馬 強

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合責(zé)任有限公司，唐山 063200)

0 引 言

煉鋼-連鑄的生產(chǎn)過程中主要包括冶煉、精煉以及澆鑄三個主要的工藝過程，主要工作任務(wù)是將通過焦炭燃燒產(chǎn)生的高溫，將鐵水經(jīng)冶煉成為鋼水，再將鋼水澆筑成為鋼坯。在煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程中，重點是對溫度的控制，目的是防止高溫鋼水在多個工序之間，除正常運輸之外而出現(xiàn)溫度下降的問題，從而保證鋼水能夠在多個生產(chǎn)工序中滿足實際溫度控制需求。煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度問題實際上是對生產(chǎn)工序中運輸時間、生產(chǎn)工藝路徑存在的回環(huán)和最后階段是同一爐次連續(xù)加工的特殊生產(chǎn)問題。

1 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度問題描述

煉鋼過程中主要采用焦炭，因為焦炭較為純凈，所產(chǎn)生的熱量較高，能夠滿足鐵礦水高溫加熱轉(zhuǎn)化為鐵水的需求。煉鋼-連鑄生產(chǎn)的流程主要為將鐵水經(jīng)過冶煉、精煉和澆鑄，最終成為鋼坯，鋼水在生產(chǎn)設(shè)備中通過天車和臺車完成運輸，在轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程中高爐所生產(chǎn)的鐵水會被運輸?shù)睫D(zhuǎn)爐后與廢鋼共同進入轉(zhuǎn)爐中，之后采用氧槍供氧吹煉將轉(zhuǎn)爐中的鐵水和廢鋼經(jīng)過加工，制造成為未經(jīng)精煉調(diào)整目標(biāo)成分和溫度的液態(tài)鋼水[1]。與此同時，轉(zhuǎn)爐所生產(chǎn)的鋼水必須達到規(guī)定溫度和成分的要求才能澆注成需要的鋼坯。精煉工序就是對鋼水進行脫氣處理、脫氧處理或者脫硫處理等，使鋼水成分更加均勻化，并將其中還存在的雜物去除，準確地掌控鋼水內(nèi)成分和溫度，需要通過焦炭等溫度容易控制的能源實現(xiàn)。澆鑄是將具有較高溫度的鋼水通過連鑄機固化處理、冷卻處理、拉矯處理以及切割處理，使其表面不存在缺陷，內(nèi)部組織在合理的溫度控制下最終形成鋼坯，從而為其他產(chǎn)品生產(chǎn)提供基礎(chǔ)原材料。當(dāng)前我國煉鋼冶煉工藝有常規(guī)冶煉工藝和“全三脫”冶煉工藝；精煉工藝有RH精煉、LF精煉、CAS精煉、VD精煉等，由此可以看出煉鋼-連鑄工藝流程較為復(fù)雜，鋼水在精煉過程中需要經(jīng)過多種復(fù)雜的工藝處理。以首鋼京唐煉鋼廠為例，京唐煉鋼廠包含精煉工藝有RH精煉、LF精煉、CAS精煉，三重精練是指鋼水在精練工序中需要經(jīng)過三次處理，三次處理的精練類型可能是同一種類型，也能使不同的兩種精練類型或三種精練類型，當(dāng)三重精練的鋼水經(jīng)過精練類型加工時，加工路線可能會出現(xiàn)“回環(huán)”問題[2]。

所謂爐次，是指某一爐鋼水從轉(zhuǎn)爐設(shè)備內(nèi)加工冶煉之后，經(jīng)過鋼包載運到精煉設(shè)備中進行精煉，之后到連鑄完成澆鑄的全過程。一個爐次的鋼水是一臺轉(zhuǎn)爐一爐所冶煉的鋼水，在同一臺連鑄機中連續(xù)澆鑄的爐次集合為澆次，在這個集合中能夠確定爐次的個數(shù)和爐次在澆筑中的先后順序。

2 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度問題的解決方法分析

根據(jù)部分學(xué)者對煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度模型的研究不難發(fā)現(xiàn)，模型中具有許多約束方程、連續(xù)變量和離散變量，采用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法以及智能優(yōu)化法都不能快速解決該問題，從而無法滿足煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度對于實時性的要求。因此，本文采用啟發(fā)式方法對煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度的復(fù)雜問題進行快速優(yōu)化求解，啟發(fā)式解決方法的求解過程是選擇重要調(diào)度的爐次，之后為該爐次確定合適的加工設(shè)備，并確定爐次的作業(yè)時間。由此可以看出，啟發(fā)式解決方法的求解過程中最為主要的問題是爐次調(diào)度順序以及爐次加工設(shè)備確定，同時能夠?qū)掍撍枰哪茉催M行一定優(yōu)化，降低煉鋼過程中的能源消耗。

3 煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度啟發(fā)方法分析

3.1 調(diào)度順序分析

操作預(yù)開工時間需要按照從晚到早的順序依次選擇爐次操作對其進行調(diào)度。本文所采用的方法為，將爐次操作看做最小單元進行調(diào)度，調(diào)度順序的確定就是對所有操作的先后順序進行確定，調(diào)度是按照操作預(yù)開工時間從晚到早的順序確定操作調(diào)度順序，所以每個澆次所在的連鑄機、開澆時間和操作設(shè)備中的處理時間全部已經(jīng)確定，所以可以計算出每個爐次在連鑄機中的每個操作預(yù)開工時間，計算公式為xi，1，Ni1=Si,i=1,…，θ，xi，j，Nij=xi,j-1,Ni,j-1+Pi,j-1,Ni,j-1,i=1，…，θ；j=2…，Ji。根據(jù)上述公式即可計算爐次在連鑄機中的預(yù)開工時間，同時可以逆推出爐次在非連續(xù)澆鑄工序中的預(yù)開工時間。與此同時，結(jié)合其他計算公式計算連鑄機中的預(yù)開工時間，并根據(jù)爐次在連鑄機中的預(yù)開工時間的順序?qū)蝹€爐次進行調(diào)度，并對所有的操作根據(jù)工藝流程逆序進行相應(yīng)的調(diào)度[3]。

3.2 設(shè)備確定

爐次操作的設(shè)備確定是為爐次操作選擇在非連續(xù)澆鑄流程中的加工設(shè)備，從而能夠減少加工沖突時間，并減少連續(xù)澆鑄的斷澆時間和爐次在其他設(shè)備中等待時間，還能夠減少焦炭等能源消耗。本文所提出的優(yōu)先級設(shè)備確定方法為：操作時間和作業(yè)時間沖突數(shù)值最小規(guī)則、設(shè)備之間的運輸沖突時間最小規(guī)則作為操作設(shè)備確定，當(dāng)確定結(jié)果為多臺設(shè)備的情況時，從多臺設(shè)備中根據(jù)運輸最小時間規(guī)則為操作設(shè)備確定，當(dāng)確定結(jié)果依然是多臺設(shè)備，則需要從多臺設(shè)備中選擇一臺作為操作加工設(shè)備。根據(jù)該方法可以看出，當(dāng)設(shè)備作業(yè)時間發(fā)生沖突時，操作在設(shè)備中的等待時間就是作業(yè)時間的沖突數(shù)值，所以在設(shè)備確定過程中可以從加工爐次操作的多臺設(shè)備中選擇能夠使作業(yè)時間沖突最小的設(shè)備作為加工設(shè)備，所以可以確保操作在設(shè)備中的等待時間最少，還能夠使同一爐次在多臺設(shè)備之間的操作加工時間等待最少。

在開工時間最晚原則方面，因為每一個澆次的開澆時間已經(jīng)確定，所以對每一個爐次操作設(shè)備確定過程中，都是對每一個爐次操作根據(jù)逆序進行了操作設(shè)備確定。在對操作設(shè)備進行確定時，需要選取能夠使開工時間最晚的設(shè)備作為操作加工生產(chǎn)設(shè)備，從而能夠?qū)⒉僮髟O(shè)備中的沖突時間和運輸時間最小化。

3.3 啟發(fā)式方法

根據(jù)上述調(diào)度順序和操作設(shè)備的確定優(yōu)先級組合，就可以確定啟發(fā)式調(diào)度方法。本文所提出的啟發(fā)式算法基本流程為：

(1)確定所有爐次操作的集合，并確定爐次操作的總次數(shù)。

(2)根據(jù)相應(yīng)的公式計算出所有爐次操作的預(yù)開工時間。

(3)采用調(diào)度順序方法確定需要調(diào)度的爐次操作。

(4)根據(jù)連鑄機中的加工操作，確定連鑄機操作設(shè)備。

(5)當(dāng)所有操作調(diào)度結(jié)束后，算法結(jié)束完成。

3.4 啟發(fā)式方法仿真測試

在完成啟發(fā)式算法確定后，需要開展仿真實驗，下表為在仿真實驗過程中，爐次在設(shè)備中的處理時間數(shù)據(jù)。

表1 爐次在設(shè)備中的處理時間

根據(jù)仿真結(jié)果則可以對煉鋼-連鑄生產(chǎn)流程進行優(yōu)化。煉鋼-連鑄是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的核心生產(chǎn)工序，但是因為工藝復(fù)雜、能源消耗較大、設(shè)備較多等因素的影響，生產(chǎn)調(diào)度計劃編制難度較大，基于啟發(fā)式方法可以對煉鋼-連鑄工序進行優(yōu)化。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文提出了基于啟發(fā)式方法的煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化措施，希望能夠?qū)ξ覈撹F生產(chǎn)企業(yè)發(fā)揮出一定的借鑒和幫助作用。