軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展及創(chuàng)新應(yīng)用

尚國(guó)普

（1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京 100043；2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

隨著冶金領(lǐng)域近十幾年的高速發(fā)展，軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)也隨著煉鐵-煉鋼界面技術(shù)的發(fā)展打破常規(guī)，在軌道線路布置、軌道結(jié)構(gòu)形式、機(jī)車車輛設(shè)備選型、運(yùn)輸調(diào)度組織等方面有了變革性的創(chuàng)新與實(shí)踐。軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)已逐步從龐大繁雜的傳統(tǒng)鐵路站系向簡(jiǎn)潔高效的非準(zhǔn)軌直連式布局系統(tǒng)發(fā)展；運(yùn)輸設(shè)備已向清潔化、大型化方向發(fā)展；運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)已從多級(jí)多人調(diào)度系統(tǒng)趨于智能無人調(diào)度系統(tǒng)方向發(fā)展。鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)直接影響到工藝生產(chǎn)流程、工程占地、工程投資、生產(chǎn)管理、環(huán)境保護(hù)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和崗位定員等重要方面。

第一代軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)類同國(guó)鐵的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，集合了站場(chǎng)、編組、走行、聯(lián)絡(luò)、安全等所有功能，設(shè)置多級(jí)調(diào)度管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)、維檢系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)等，該技術(shù)具有系統(tǒng)龐大、線路多、設(shè)備雜、調(diào)度繁、污染大等劣勢(shì)，目前基本被淘汰。第二代軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)在第一代鐵路運(yùn)輸機(jī)理不變的情況下，重點(diǎn)打造鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)的獨(dú)立性和專業(yè)化，具有運(yùn)輸設(shè)備大型化、清潔化等特征，成為我國(guó)20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)初鐵水運(yùn)輸技術(shù)的主流。隨著煉鐵-煉鋼界面“一罐到底”界面技術(shù)的日益成熟，其優(yōu)越性在鋼鐵廠生產(chǎn)中越來越明顯，高效、短捷的鐵鋼界面新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)成為了“一罐到底”研究的關(guān)鍵點(diǎn)，優(yōu)化工藝流程、減少作業(yè)環(huán)節(jié)、升級(jí)運(yùn)輸設(shè)備、縮短運(yùn)輸距離，從而達(dá)到減少能量耗散、降低環(huán)境污染、提高生產(chǎn)效率的目的。新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)向系統(tǒng)簡(jiǎn)、線路短、設(shè)備少、調(diào)度智等方向全面發(fā)展。

1 常規(guī)軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)的回顧與分析

1.1 第一代軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)

在20 世紀(jì)的中國(guó)，絕大部分工礦企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)輸方式皆采用軌道運(yùn)輸，比如鋼鐵廠的大宗原燃料運(yùn)入、成品運(yùn)出，廠內(nèi)的鐵水運(yùn)輸、渣運(yùn)輸、除塵灰運(yùn)輸，以及廠內(nèi)小品種物料倒運(yùn)也不例外，鐵路運(yùn)輸在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。但是由于我國(guó)工業(yè)發(fā)展起步較晚，20 世紀(jì)80 年代以前的鋼鐵廠運(yùn)輸系統(tǒng)基本延續(xù)之前較為落后的鐵路技術(shù)，存在系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)輸設(shè)備落后、污染嚴(yán)重等問題，尤其在高溫鐵水安全、可靠、高效生產(chǎn)作業(yè)方面的技術(shù)發(fā)展緩慢，本文將我國(guó)20 世紀(jì)80 年代以前的鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)定義為第一代軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)。

第一代鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)（見圖1）采用的是準(zhǔn)軌軌道線路、機(jī)車、車輛等系統(tǒng)組合，將鐵水從煉鐵高爐運(yùn)輸至煉鋼轉(zhuǎn)爐的運(yùn)輸作業(yè)流程。配套軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)的主要設(shè)施有：國(guó)家準(zhǔn)軌鐵路線路（軌距1 435 mm、38 kg/m 或43 kg/m 的重型軌道，30 cm 左右的明碴道床）；走行正線、編組站、停車線、安全線、檢修線等復(fù)雜的軌道線路系統(tǒng)；龐大的人工管理、維檢、后勤保障系統(tǒng)；原始的低功率蒸汽機(jī)車、小容量鐵水罐車等設(shè)備系統(tǒng)（軸荷載30 t 左右）。鐵水編組場(chǎng)站線和配備作業(yè)機(jī)車數(shù)量較多，作業(yè)頻繁，調(diào)度運(yùn)輸組織復(fù)雜。第一代鋼鐵廠典型鐵路系統(tǒng)圖如下頁(yè)圖2所示。

圖1 常規(guī)軌道鐵水運(yùn)輸模式

圖2 第一代鋼鐵廠典型鐵路系統(tǒng)圖

鐵水編組場(chǎng)股道總數(shù)量計(jì)算見式（1）和式（2）：

式中：m編組為某方向需要編組線數(shù)量，股；N 為該方向編組出發(fā)列車次數(shù)，次；t 為編組一列出發(fā)列車平均占用編組線的時(shí)間，min；α 為時(shí)間有效利用系數(shù)；M編組為編組場(chǎng)股道數(shù)量，股；b1-2為走行線數(shù)量，條。

鐵水運(yùn)輸作業(yè)機(jī)車數(shù)量計(jì)算見式（3）：

式中：N運(yùn)為小運(yùn)轉(zhuǎn)鐵水運(yùn)輸作業(yè)機(jī)車數(shù)，臺(tái)；Σt 為小運(yùn)轉(zhuǎn)鐵水運(yùn)輸作業(yè)時(shí)間，min；T固為機(jī)車整備和交接班等固定作業(yè)時(shí)間，min。

第一代鐵水運(yùn)輸技術(shù)的主要特點(diǎn)：鐵路站場(chǎng)線路系統(tǒng)龐大，機(jī)車、車輛、鐵水罐多設(shè)備組合，規(guī)格小、數(shù)量大；多層多級(jí)的管理調(diào)度系統(tǒng)、維檢和后勤保障系統(tǒng)；運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，管理調(diào)度人員、機(jī)車司機(jī)、調(diào)車員、扳道員、道口值班員、線路維檢人員、后勤保障人員等配套崗位結(jié)構(gòu)臃腫、定員多；環(huán)境污染嚴(yán)重，燃煤蒸汽機(jī)車環(huán)境污染嚴(yán)重，鐵水運(yùn)輸距離長(zhǎng)，作業(yè)環(huán)節(jié)多，敞口鐵水罐沿途排放點(diǎn)多，煙塵污染范圍大（見圖3）。

圖3 蒸汽機(jī)車牽引鐵水罐車

1.2 第二代軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)

20 世紀(jì)80 年代上海寶山鋼鐵廠的建成投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)鋼鐵發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，鋼鐵廠的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)技術(shù)都有了明顯的提升，至21 世紀(jì)初，我國(guó)真正成為了世界鋼鐵大國(guó)。隨著鋼鐵業(yè)的突飛猛進(jìn)，軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)伴隨著鋼鐵企業(yè)煉鐵-煉鋼“一罐到底”界面技術(shù)（見圖4）的出現(xiàn)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)趨于簡(jiǎn)單化，鐵路線路專業(yè)化，運(yùn)輸設(shè)備大型化，軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)趨于專業(yè)化、成熟化[1-2]。本文將我國(guó)20 世紀(jì)后期至21 世紀(jì)初的主流鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)定義為第二代軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)。

圖4 “一罐到底”鐵水運(yùn)輸模式

第二代軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)（見圖5）采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)軌軌道線路，但鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)與鋼鐵廠其他運(yùn)輸系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，具有相對(duì)清晰的站線系統(tǒng)；具有專業(yè)的人工管理、維檢、后勤保障系統(tǒng)；軌道線路適應(yīng)設(shè)備大型化的需求，軌型采用60 kg/m 軌道、道碴加厚，40～45 cm 厚的明碴道床；采用大功率內(nèi)燃機(jī)車代替蒸汽機(jī)車；配備大容量鐵水罐車等車輛設(shè)備系統(tǒng)（軸荷載40 t 左右）。內(nèi)燃機(jī)車牽引鐵水罐車圖如圖6 所示。

圖5 第二代鋼鐵廠典型鐵路系統(tǒng)圖

圖6 內(nèi)燃機(jī)車牽引鐵水罐車

第二代軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)伴隨著煉鐵-煉鋼工序間采用“一罐到底”界面技術(shù)的發(fā)展而趨于簡(jiǎn)潔化、專業(yè)化，設(shè)備大型化[3]。但也仍然存在鐵路系統(tǒng)占地面積大、用地不規(guī)則、運(yùn)輸距離較長(zhǎng)、配套線路復(fù)雜、內(nèi)燃機(jī)車耗能和污染較大、車輛維檢費(fèi)用高以及崗位定員較多等問題。

2 新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用

2.1 發(fā)展背

生產(chǎn)實(shí)踐證明，煉鐵-煉鋼工序間“一罐到底”界面技術(shù)給鋼鐵企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會(huì)效益，得到了冶金界的高度認(rèn)可。鋼鐵制造流程中物質(zhì)流、能量流、信息流追求動(dòng)態(tài)有序，使“流”在動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行過程中，將耗散“最小化”的理論和實(shí)踐有了很好的展現(xiàn)[4-5]。此外，可最大限度地縮短煉鐵、煉鋼工序的距離，以及減少作業(yè)環(huán)節(jié)的緊湊、高效的煉鐵-煉鋼界面新型“一罐到底”布置型式是冶金領(lǐng)域追求的目標(biāo)。新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)從空間關(guān)系、軌道運(yùn)輸系統(tǒng)、運(yùn)輸方式、運(yùn)輸設(shè)備等方面徹底打破了傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸鐵水技術(shù)的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了變革性的突破。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新

煉鐵-煉鋼工序間“面對(duì)面”的“一罐到底”空間布局，改變了傳統(tǒng)的采用龐大的鐵路系統(tǒng)進(jìn)行鐵水運(yùn)輸?shù)慕M織模式，新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)打破常規(guī)，軌道運(yùn)輸系統(tǒng)趨于短捷、緊湊、高效。新型軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)中，鐵水運(yùn)輸線直接連接高爐煉鐵車間和轉(zhuǎn)爐煉鋼車間，軌道線路適應(yīng)運(yùn)輸車輛非標(biāo)準(zhǔn)、大型化的需求。為保證線路安全穩(wěn)定，軌距采用寬軌距（根據(jù)鐵水罐車的規(guī)格進(jìn)行確定，目前常用軌距在4 m左右）、QU120 軌道（118.1 kg/m）、鋼筋混凝土整體道床；配備智能調(diào)度系統(tǒng)；采用電動(dòng)平車代替內(nèi)燃機(jī)車；取消鐵水罐車，鐵水罐直接坐在電動(dòng)平車上；運(yùn)輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化大大降低了維檢和后勤保障的作業(yè)任務(wù)。

直連式“一罐到底”布置工藝（見圖8）：直連式軌道線路直接連接高爐爐下和煉鋼加料跨，鐵水罐從高爐爐下受鐵，通過鐵水運(yùn)輸車直送至煉鋼車間，將鐵水預(yù)處理、向轉(zhuǎn)爐兌鐵、鐵水緩沖、鑄鐵、鐵水罐的修砌烤等功能集中布置在煉鋼車間加料跨內(nèi)[6-7]。自驅(qū)動(dòng)電動(dòng)平車運(yùn)載鐵水罐如圖9 所示。

圖8 新型軌道技術(shù)鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)圖

圖9 電動(dòng)平車運(yùn)載鐵水罐

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

新型軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)鐵路站系的緩沖和運(yùn)輸組織功能，通過電動(dòng)平車和天車兩種運(yùn)輸組合實(shí)現(xiàn)軌道鐵水運(yùn)輸作業(yè)流程。煉鐵、煉鋼工序銜接緊密，總圖布置規(guī)整、緊湊，運(yùn)輸環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸距離短捷，熱量損失小、污染排放少，占地面積小，崗位定員少。新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

傳統(tǒng)的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)有龐大的鐵路站場(chǎng)、大半徑的鐵路走行線，經(jīng)常帶來許多不規(guī)整、低利用率的的三角地帶，用地面積很大。針對(duì)某鋼鐵廠2 座高爐在1 座煉鋼車間的布置采用第二代軌道運(yùn)輸技術(shù)和新型軌道運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行了占地比較，結(jié)果表明新型軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)約用地占比約55%，節(jié)約用地效益明顯。

新型鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)在空間布局上有很大的變革，用空間換時(shí)間，用時(shí)間換溫度，用溫度換效益。鐵水罐無論在空載還是重載的情況下，溫度均隨時(shí)間的增加逐步下降，時(shí)間是溫度變化的主要因素，在運(yùn)輸速度變化不大的情況下，運(yùn)輸距離是運(yùn)輸時(shí)間的直接影響因素。新型鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)在減少溫降的同時(shí)，可縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期，也可相應(yīng)增加廢鋼比，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

對(duì)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明在同樣運(yùn)輸功的基礎(chǔ)上，內(nèi)燃機(jī)車的耗能約是電動(dòng)機(jī)車的20 倍；內(nèi)燃機(jī)車大、中小維修費(fèi)用較電力機(jī)車高，電力機(jī)車主要通過電池維修和更換來保障運(yùn)行，電池還可回收重復(fù)利用，因此電力機(jī)車較內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用大大降低。

新型軌道鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)管理模式采用遠(yuǎn)程智能化調(diào)度。根據(jù)煉鐵、煉鋼工序的生產(chǎn)節(jié)奏，統(tǒng)籌安排鐵水運(yùn)輸組織，編程信息化管控平臺(tái)。利用平臺(tái)進(jìn)行鐵水運(yùn)輸?shù)闹悄芑{(diào)度，相較傳統(tǒng)冶金企業(yè)鐵路運(yùn)輸?shù)娜?jí)調(diào)度（部調(diào)、站調(diào)、區(qū)調(diào)），大大減少了管理調(diào)度、運(yùn)維人員數(shù)量，減崗效益明顯。

2.3.2 環(huán)境效益

新型鐵水運(yùn)輸技術(shù)最大限度地壓縮了煉鐵-煉鋼界面的運(yùn)輸距離，縮短了鐵水運(yùn)行的時(shí)間，且新型鐵水運(yùn)輸罐車采用加蓋技術(shù)，高溫鐵水的煙塵排放和熱損失大大降低。環(huán)境和能源是相輔相成、相互協(xié)調(diào)的，追求環(huán)境效益首先考慮的就是節(jié)能，其次就是選擇清潔能源。新型鐵水運(yùn)輸技術(shù)的運(yùn)輸設(shè)備采用了清潔能源電動(dòng)平車，運(yùn)行線路平直、短捷，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車相較，基本沒有污染物排放，且噪聲污染范圍很小。

3 未來鐵水運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 綜合比較

第一代、第二代和新型鐵水運(yùn)輸技術(shù)的比較情況如表1 所示。

表1 軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)的綜合比較

從表1 可以看出，新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)在鋼鐵廠占地面積、空間布局、生產(chǎn)效率、物耗、能耗與過程排放、生態(tài)環(huán)保等指標(biāo)方面展示出的優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)，在煉鐵-煉鋼核心工序界面技術(shù)的發(fā)展中具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著鋼鐵冶金技術(shù)、煉鐵-煉鋼核心界面技術(shù)、運(yùn)輸設(shè)備和智能化程度的不斷發(fā)展及環(huán)保要求的不斷提高，鐵水運(yùn)輸技術(shù)會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷地發(fā)展創(chuàng)新。

未來隨著新型軌道運(yùn)輸技術(shù)穩(wěn)定性、安全性和可靠性的不斷提高，以及運(yùn)輸設(shè)備的大型化、專業(yè)化和清潔化，更加簡(jiǎn)潔高效、機(jī)動(dòng)靈活的軌道運(yùn)輸或無軌運(yùn)輸技術(shù)是鐵水運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展、智能管理技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷提高，未來煉鐵-煉鋼核心界面間的鐵水運(yùn)輸調(diào)度管理將發(fā)展為更加趨于智能化的生產(chǎn)組織模式。

4 結(jié)語(yǔ)

軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)隨著鋼鐵廠煉鐵-煉鋼核心工序界面技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展，鋼鐵廠總圖布局一旦形成后，幾十年乃至百年基本不變，故煉鐵-煉鋼界面的空間布局和軌道運(yùn)輸技術(shù)的研究需慎之又慎，必須權(quán)衡考慮工藝流程、工程投資、生產(chǎn)維護(hù)、運(yùn)營(yíng)成本、環(huán)境保護(hù)等方面的綜合效益。隨著新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)的日益成熟，“一罐制”鐵水運(yùn)輸技術(shù)向多元化方向發(fā)展，追求鋼鐵制造流程的“動(dòng)態(tài)-有序”“連續(xù)-緊湊”，實(shí)現(xiàn)能量耗散最小化是永恒的目標(biāo)。新型軌道鐵水運(yùn)輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煉鐵-煉鋼界面直連、緊湊、規(guī)整的空間布局，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)高效，真正追求經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益的最佳化，為鋼鐵廠鐵水運(yùn)輸技術(shù)方案提供借鑒和參考。