板坯加熱爐單支坯料消耗成本的計算模型與實現

韓智強

（山東蒂法信息科技有限公司，山東 濟南 250101）

1 加熱爐概述

在國內中板、寬板、厚板產線的設計布置中，加熱爐一般為步進梁蓄熱式加熱爐，爐內可容納坯料支數為50~70支左右。爐內按照加熱區段分為預熱段、加熱段、均熱段三段，部分企業加熱爐還將加熱段按照燒嘴組數，分為第一加熱段、第二加熱段，即也可分為預熱、一加、二加、均熱四段。無論怎么區分爐內區域，爐內燒嘴和各段的區分只是從功能上和燒嘴控制上進行的概念性區分，爐堂內部并沒有隔斷及避火墻等設施，燒嘴產生的熱量在爐內所有板坯是共享的，傳統管理措施很難計算每一支板坯的消耗量，造成各大企業單位對加熱消耗及成本管理基本處于粗放式管理。

2 意義

近幾年來，隨著物料跟蹤信息系統的完善、產線計量儀表數據、進出口能耗數據及成本分攤數據的建全，結合生產管理現場需求，建立更小顆粒的成本核算及模型勢在必行，為了實現板坯加熱成本的精準計算及預算，并通過成本過程實時監控，成本可視化等分析工具發現成本控制的問題和不足，形成加熱能源消耗和成本分析模型，為軋鋼廠板坯加熱工藝優化與評價、生產組織優化及板坯消耗成本改進優化提供決策支撐。

3 模型設計原理

3.1 原理概述

根據物料跟蹤信息系統的時間結點，加熱爐從空爐裝鋼開始，爐內一支鋼、二支鋼、五支鋼直至裝滿二加熱段為止。假設：在爐坯料每增加一支為一個整體，每個整體的消耗量按照物料跟蹤系統的時間范圍在能源消耗計量表進行截取，將截取的消耗量按照對應坯料整體的重量計入每一噸鋼，在爐的每支坯料該時段的消耗即可按照單支坯料的實際重量得出。再將每個整體變量時段的消耗量疊加，即可得出每支坯料在爐時間內的總消耗量。

3.2 原理解析

以日歷時間軸為主線，裝入第一支板坯關閉裝鋼爐門的關閉時間為始點，到第二支板坯關閉裝鋼爐門的關閉時間為止點，看作一個消耗單元假設為MJ1，裝入第n支、到第n+1支板坯裝鋼爐門的關閉時間的單元消耗總量為MJn。

爐內板坯質量用SG表示，第一支為SG1，第二支為SG2，第n支板坯為SGn，爐內板坯總質量MG為SG1、SG2、SG3至SGn的總和。單支板坯消耗用CM表示，則每一支板坯的總消耗量cm1如式（1）所示：

第二支板坯的總消耗量cm2如式（2）所示：

直至加熱爐具備開始出鋼條件，消耗單元的時間范圍自動轉化為爐內板坯重量發生變化時的爐門關閉時間為始點至下一次爐門關閉時間為一個消耗單元，消耗單元可以在日歷時間軸上無限次細分，總和與入戶表始終相等。每支板坯的消耗成本為不固定量，首先根據爐內料型導致的坯料支數不同而不同，根據裝出爐次數及頻率變化不同而不同，但總消耗總是與爐內板坯的單消耗量總和相等，計算誤差設計小于0.1%為模型正常標定值。

3.3 板坯加熱過程圖示

空爐狀態烘爐成本單獨統計，作為管理單位的綜合管理成本進行累加，最終平均在當月成本當中。如下圖所示為開始給加熱爐裝板坯，裝入第一支關閉爐門的時間為開始計算消耗時間，之前消耗均統計在烘爐消耗內。如下頁圖1所示。

由于當前加熱爐為空爐狀態，裝鋼節奏較快，爐子在坯料足夠的前提下，會以最快速度裝至二加熱段滿為止，加熱爐開始加大燒嘴輸入熱量，該段消耗單元的能量輸入量較高，均由上述計算方法計入爐內板坯消耗中，爐內板坯狀態如圖2所示。

經過一段時間的加熱，處于一加、二加段的板坯溫度基本接近出爐溫度后，會進入均熱段，后續繼續裝入常溫板坯，如圖3為加熱爐裝滿爐狀態。

圖4為開始出鋼狀態，加熱爐此時的消耗單元時間進一步細分，消耗單元的時間自動切換為爐內板坯重量發生變化時的爐門關閉時間為始點，至下一次爐門關閉時間止點為一個消耗單元，爐門關閉時間包括裝鋼爐門及出鋼爐門，可以是兩次裝鋼爐門或出鋼爐門的關閉時間，也可以是一道出鋼爐門的關閉時間與二道裝鋼爐門的關閉時間，如圖4所示。兩個最近的爐門的關閉時間為一個消耗單元，計算對應爐內板坯重量的噸鋼消耗，計入在爐板坯單支消耗成本，第n支板坯從入爐一直疊加不同消耗單元的噸鋼消耗值，直至出爐計算出第n支板坯的單支板坯消耗成本。如此這個疊加累計的計算模型即可得出。

3.4 計算模型

計算模型分為空爐、正常出鋼、排空三種情況，計算根據信息化系統做出的判斷，調用不同的計算模型，即可實現在線應用的智能計算。

3.4.1 空爐狀態下的計算模型

式中：cmi為單支坯料消耗值，是一個n次的疊加值；n為單元消耗次數，第i支鋼從入爐到出爐的消耗單元次；i為爐內坯料順序號，i=1，…，999，要求單加熱爐最多裝鋼支數不超過199支；MJj為第i支坯料的第j次單元消耗總量j=i，…，n；MGj為第i支坯料的第j次爐內總坯料質量，對應第j次單元消耗量；SGi為第i支坯料的單重，爐內坯料總量的噸鋼消耗值乘以單重為單支坯料在該單元消耗期間的消耗量。

3.4.2 正常出鋼狀態的計算模型

式中：cmi為單支坯料消耗值，是一個n次的疊加值；n為單元消耗次數，第i支鋼從入爐到出爐的消耗單元次；m為爐內坯料總支數，為一個變量，從三級的SlabID獲取k=1，…，m；i為爐內坯料順序號，i=1，…，999，要求單加熱爐最多裝鋼支數不超過199支；MJj為第i支坯料的第j次單元消耗總量為第i支坯料的第j次爐內總坯料質量k=1，…，m；SGi為第i支坯料的單重，爐內坯料總量的噸鋼消耗值乘以單重為單支坯料在該單元消耗期間的消耗量。

3.4.3 排空狀態的計算模型

式中：cmi為單支坯料消耗值，是一個n次的疊加值；n為單元消耗次數，第i支鋼從入爐到出爐的消耗單元次j=i；i為爐內坯料順序號，i=1，…，999，要求單加熱爐最多裝鋼支數不超過199支；MJj為第i支坯料的第j次單元消耗總量j=i，…，n；MGj為第i支坯料的第j次爐內總坯料重量，對應第j次單元消耗量；SGi為第i支坯料的單重，爐內坯料總量的噸鋼消耗值乘以單重為單支坯料在該單元消耗期間的消耗量。

4 工業模型應用的實現

計算模型應用在產業互聯網領域，體現在兩個方面：一方面是靠算法、數據、模型，把消費互聯網積累的連接方式和思維模型應用到產業數據中，讓數據融入整個產業數據池，所有產生的數據再處理后，可以為生產、效益、質量、營銷、交付、成本、管理進行輔助決策[1]。另一方面，在云計算、機器學習、AI智能這些數據業務化的應用中，通過自動化、網絡化、智能化的方式，讓工業生產實績先虛擬數據化，把數據再根據管理需求整合成與生產實績相關聯的結果，打造全新的數據產業鏈，同樣讓不同生產單元模塊的數據產生新的協同，提供更廣域的管理決策支撐[2]。

在企業中最終通過信息化附能，為傳統制造型企業進行工業互聯網附能，為企業在當前同行業復雜的市場競爭中提供有力的數據支撐和精準的控制手段。

5 結論

本文結合多年的現場管理經驗與產線信息化管理系統設計理念，借鑒阿米巴管理思路，把板坯加熱過程中在爐板坯假設為一個整體，把整個加熱過程縱向進行時間單元的分隔，以2個最近關閉爐門的時間為一個消耗單元，將時間軸的整體消耗分隔成阿米巴最小單元，通過疊加單支板坯不同時段的噸鋼消耗計算出單支板坯的消耗量及消耗成本。

結合現代化工業物聯網技術與信息化管理工具的技術手段，把計算模型嵌入到管理系統中，融合當前消費互聯網思維，在工業物聯網技術的發展基礎上，形成加熱爐板坯消耗和成本分析模型及核算管理單元，為企業智慧運營管理系統的實現提供底層數據支撐，同時也可以為軋鋼廠板坯加熱工藝優化與評價、生產組織優化及板坯消耗成本改進優化提供決策支撐。