洪宇杰 蒲春雷 高心宇 沈正斌 王天宇

（中冶华天工程技术有限公司  江苏南京 210008）

摘  要：本文构建了炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法，通过工艺流程分解与耦合，建立数字化模型，模拟仿真炼钢-连铸区段物流实际情况，获得炼钢-连铸区段最佳物流管控方案、钢水生产能力和炼钢车间理论产能指标等关键信息，对新建/改造炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控方案进行仿真论证，解决炼钢厂炼钢-连铸区段项目设计、建设和运营的关键问题，减少新建/改造炼钢厂产能设计误差、物流冲突等在设计过程中可能忽视或难以发现的设计错误，显著降低炼钢厂炼钢-连铸区段建设的投资成本和风险。本项目通过智慧仿真方法，进一步实现炼钢厂炼钢-连铸区段智能调度，推动我国钢铁行业智能制造转型升级，促进智能化发展。

关键词：物流管控；模拟仿真；智能调度；炼钢；连铸

随着现代科学技术的快速发展，数字化、网络化、信息化已成为时代的主要特征，钢铁行业^[1]面临着严峻的挑战，如技术创新^[2]、市场竞争、环境资源等问题，这就需要钢铁企业不断创新，提高效率。为了适应全球化大背景下的生产情况，需要采取有效的生产计划^[3,4]与调度手段，充分利用有限的资源，发挥资源的最大利用率，应对复杂的钢铁生产问题，实现生产过程的高效化、连续化。

就炼钢厂设计施工来说，炼钢-连铸生产过程是炼钢厂生产运行的核心区段，而由于当下生产订单趋于多品质、小批量、高质量、短周期方向发展，炼钢厂设计过程中，关于炼钢-连铸生产过程物流管控如何实现进一步优化^[5]成为研究热点，合理的炼钢-连铸区段物流管控可以减少钢包使用数^[6,7]，降低转炉出钢温度^[8]，保持连铸工序恒拉速浇铸，进而改进产品质量。目前，炼钢-连铸区段物流管控^[9]方案设计主要根据人工经验，缺乏理论依据作为支撑。因此，必须开发一种炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法，对新建/改造炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控方案、钢水生产能力和炼钢车间理论产能指标进行仿真论证，从而降低炼钢厂生产运行的投资成本，减少新建/改造炼钢厂产能设计误差、物流冲突等在设计过程中可能忽视或难以发现的设计错误。

1 炼钢-连铸设备和区段组件构建

1.1 炼钢-连铸区段组件构建

根据炼钢厂炼钢-连铸区段技术方案，将炼钢厂车间进行划分，进行区段组件构建。本文以某炼钢厂为实施例，如图1所示，将炼钢厂车间主要划分为转炉跨、精炼跨、连铸跨，划分结果如图2所示。

图1 炼钢厂技术方案图

图2 炼钢厂车间划分图

1.2 炼钢-连铸设备组件构建

根据炼钢厂炼钢-连铸区段技术方案，将炼钢厂炼钢-连铸区段设备进行划分。实施例中，炼钢厂炼钢-连铸区段技术方案如图1所示，将炼钢厂炼钢-连铸区段设备主要划分为转炉、钢包车、天车、精炼炉、钢包回转台、连铸机、钢包，如图2所示。转炉为公称容量170t转炉、生产优特钢，钢包车为自动运行机车牵引的有轨火车，天车为冶金起重机，精炼炉为双工位LF精炼炉和双工位RH精炼炉，钢包回转台为自动运行的旋转机械装置，连铸机为连续铸钢设备，钢包为钢水承载工具。

2 炼钢-连铸区段工艺流程和模型构建

2.1 炼钢-连铸区段工艺流程构建

根据实施例中炼钢厂炼钢-连铸区段技术方案，如图1所示，将炼钢厂炼钢-连铸区段工艺流程主要划分为：

   （1）在转炉跨，转炉将冶炼完成钢水倒入空钢包内，达到额定装入量后，钢包车辆通过轨道将装满钢水的钢包运输至精炼跨；

   （2）在精炼跨，将根据订单对生产模式进行确定；

   （3）在精炼跨，天车将装满钢水的钢包吊运至精炼炉所对应的钢包运输车上，精炼炉所对应的钢包运输车将装满钢水的钢包运输至精炼位置；同时，天车返回精炼跨初始位置，继续根据生产模式确定信息，将装满钢水的其他钢包吊运至精炼炉所对应的其他钢包运输车上；

   （4）在精炼跨，精炼炉对装满钢水的钢包进行精炼处理，之后钢包运输车通过轨道将完成精炼工序的钢包运输至连铸跨；

   （5）在连铸跨，天车将精炼完成的装满钢水的钢包吊运至连铸机回转台并进行浇注，将浇注完的空钢包吊运至修包位，然后回到连铸跨初始位置，等待将下一个装满钢水的其他钢包吊运至连铸跨的钢包回转台上；

   （6）在连铸跨，经天车将精炼完成的装满钢水的钢包吊运至连铸机回转台后，精炼炉对应的钢包运输车返回初始位置，等待精炼跨天车将装满钢水的其他钢包吊运至钢包运输车上；

   （7）重复上述步骤，进行循环，完成炼钢厂炼钢-连铸区段需要的钢水供应。

2.2 炼钢-连铸区段工艺模型构建

根据炼钢厂车间、炼钢厂炼钢-连铸区段设备和炼钢厂炼钢-连铸区段工艺流程，对转炉冶炼周期、转炉跨钢包车运输钢包、精炼跨天车吊运钢包、LF精炼冶炼周期、RH精炼炉冶炼周期、精炼跨钢包车运输钢包、连铸跨天车吊运钢包、连铸机浇注周期；以及与炼钢厂炼钢-连铸区段物流相关的转炉跨转炉炼钢过程、转炉跨钢包车运输钢水过程、精炼跨天车吊运钢包过程、精炼跨精炼炉冶炼过程、精炼跨钢包车运输钢水过程、连铸跨天车吊运钢包过程、连铸跨连铸机浇注过程分别建立模型，将炼钢厂炼钢-连铸区段工艺流程进行分解。

（1）根据转炉跨转炉炼钢过程，建立转炉炼钢模型，根据转炉冶炼周期和转炉出钢量，确定钢水供应节奏，进而确定转炉跨钢包车运输节奏和后续生产模式选择，实施例中，170t转炉的冶炼周期35~45min，出钢量170~190t/炉，转炉冶炼完的钢水需要的钢包承载量为170~190t//包，一个冶炼周期需要一次转炉跨钢包车运输；

（2）根据转炉跨钢包车运输钢水过程，建立转炉跨钢包车运输模型，确定转炉跨钢包车运输钢水模式；实施例中，转炉跨钢包车每35~45min从转炉处接收一次钢水，钢包车运输速度为0~30m/min；

（3）根据精炼跨天车吊运钢包过程，建立精炼跨天车吊运模型，根据所述的钢水供应节奏、生产模式、转炉跨钢包车运输模型，在满足天车作业率的基础上，确定精炼跨天车作业模式；实施例中，精炼跨有2台天车，天车控制天车作业率低于80%，天车在70~90min内从转炉跨钢包车处吊运一次钢包，并根据生产模式情况，将钢包吊运至不同精炼炉处，天车运输速度为8~80m/min，天车起升速度为1~10m/min；

（4）针对精炼跨精炼炉冶炼过程，建立精炼炉冶炼模型，根据精炼炉精炼周期和精炼模式，确定精炼钢水供应节奏；实施例中，有4台LF精炼设备，精炼处理时间60-80min，LF 软吹时间为30-45min（LF-RH钢种在LF不进行软吹，在RH进行软吹）；有1台RH精炼设备，RH真空处理时间30-35min，RH软吹时间30-35min。当冶炼超低碳钢种（工业纯铁等）RH不软吹，采用RH处理结束后静置15-25min；

（5）针对精炼跨钢包车运输钢水过程，建立精炼跨钢包车运输模型，确定精炼跨钢包车运输钢水模式；实施例中，LF精炼炉钢包车每30-45min从LF精炼炉处接收一次钢水，并将钢水运送至LF软吹处软吹30-45min（LF-RH钢种在LF不进行软吹，在RH进行软吹），之后再将精炼钢水运送至精炼跨钢包车运输轨道末端等待连铸跨天车吊运；RH精炼炉钢包车每30-35min从RH精炼炉处接收一次钢水，并将钢水运送至RH软吹处软吹30-35min（当冶炼超低碳钢种如工业纯铁等，RH不软吹，采用RH处理结束后静置15-25min），之后再将精炼钢水运送至精炼跨钢包车运输轨道末端等待连铸跨天车吊运。钢包车运输速度为0~30m/min；

（6）针对连铸跨天车吊运钢包过程，建立连铸跨天车吊运模型，根据所述的精炼钢水供应节奏、生产模式、精炼跨钢包车运输模型，确定连铸跨天车作业模式；实施例中，连铸跨有2台天车，天车控制天车作业率低于80%，天车每60min左右，根据生产模式情况，从精炼跨钢包车中选择并吊运一次钢包，将钢包吊运至不同连铸机处，天车运输速度为8~80m/min，天车起升速度为1~10m/min；；

（7）针对连铸跨连铸机浇注过程，建立连铸机浇注模型，根据连铸机浇注周期，确定钢水浇注节奏；实施例中，由于1#连铸机的断面有两种方案，因此1#连铸机浇注周期对应两种情况：①基于小方坯高碳钢最高拉速设定小方坯的最短浇注周期；②基于钢水温降的控制，浇注周期最长在65min，为此设定60min（150/160方）的连铸机浇注周期；2#CC大方坯基于液芯长度满足压下技术要求，设定浇注周期60min（200/240方或280/340方）。每台连铸机各对应一个钢包回转台，回转台工作速度为1r/min。

3 炼钢-连铸区段物流管控仿真验证结果

3.1 炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法逻辑

炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法基于B/S架构，运用Canvas、JS、Vue等技术，将炼钢厂炼钢-连铸区段进行二维数字化处理，生成基于真实物理世界和多维数据映射的数字化模型模拟，仿真模拟炼钢-连铸区段物流实际情况。通过构建的转炉跨钢包车运输模型、精炼跨天车吊运模型、精炼跨钢包车运输模型、连铸跨天车吊运模型等，对炼钢厂实际运行情况进行仿真模拟，进而对炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控方案、钢水生产能力、炼钢车间理论产能扽指标进行验证，逻辑图如图3所示。

图3 炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法逻辑图

3.2 炼钢-连铸区段物流管控仿真结果

耦合上述仿真验证方法各步骤，运用炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法，对炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控过程进行模拟仿真。实施例1炼钢厂炼钢-连铸区段的物流管控方案一（“一炉一机+两机部分叠加”生产模式）、方案二（一炉两机生产模式）经仿真验证：物流运行顺畅、钢水生产能力和炼钢车间理论产能均能达到200万吨/年，设计方案可行，可进行下一步施工操作。

4 结论

本文根据炼钢厂炼钢-连铸区段技术方案，通过转炉炼钢模型、转炉跨钢包车运输模型、精炼跨天车吊运模型、精炼炉冶炼模型、精炼跨钢包车运输模型、连铸跨天车吊运模型和连铸机浇注模型的分解与耦合，基于流程自动化、模型数字化、决策智能化，形成炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控仿真验证方法，对新建/改造炼钢厂炼钢-连铸区段物流管控方案进行仿真论证，在设计方案正式施工前得到炼钢厂炼钢-连铸区段的物流管控方案、钢水生产能力和炼钢车间理论产能指标，解决炼钢厂炼钢-连铸区段项目设计、建设和运营的关键问题，减少新建/改造炼钢厂产能设计误差、物流冲突等在设计过程中可能忽视或难以发现的设计错误，显著降低炼钢厂炼钢-连铸区段建设的投资成本和风险。

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