郭峪坤^1，2，李建生³，馬新光³，項有兵³，崔志宏³

( 1． 冶金自動化研究設(shè)計院有限公司，北京 100071; 2． 冶金智能制造系統(tǒng)全國重點實驗室，北京 100071;3． 唐山鋼鐵集團有限責任公司生產(chǎn)制造部，河北 唐山 063000)

摘要: 鋼鐵制造流程中的煉鐵 － 煉鋼界面，作為連接煉鐵和煉鋼工序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、降低成本以及提升競爭力至關(guān)重要。近年來，“一罐到底”模式作為一種新興的界面技術(shù)受到廣泛關(guān)注，然而對于高爐下提前推薦最合適鐵水罐技術(shù)的研究不夠充分。針對這一問題，提出了一種鐵水罐智能配罐技術(shù)，通過對鐵水罐的實時位置和狀態(tài)進行跟蹤，并綜合考慮煉鋼廠冶煉計劃，進行長周期的鐵水罐未來位置和狀態(tài)的實時預測，以選擇最合適的鐵水罐進行配罐，從而提高鐵鋼界面運行的流暢度和效率。通過在唐鋼新區(qū)的實際應(yīng)用中進行驗證，該技術(shù)使得鐵鋼界面中的鐵水罐周轉(zhuǎn)率、鐵水罐在線個數(shù)、鐵水 KＲ 進站溫度等指標得到顯著改善，為鐵鋼界面的生產(chǎn)運行提供了有效的技術(shù)支持和優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞: 鋼鐵企業(yè); 一罐到底; 鐵鋼界面; 鐵水罐配罐

0 引言

殷瑞鈺院士在《冶金流程工程學》中指出，鋼鐵制造流程是一個由燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等主要工序構(gòu)成的集成運行系統(tǒng)^［1］，其中鐵鋼界面是關(guān)鍵。優(yōu)化鐵鋼界面流程對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、成本降低和競爭力提升至關(guān)重要。“一罐到底”模式是鋼鐵企業(yè)煉鐵 － 煉鋼區(qū)段的一種新型界面技術(shù)，采用鐵水罐具備鐵水承接、運輸、預處理、轉(zhuǎn)爐兌鐵等功能，省去了倒罐環(huán)節(jié)，具有占地少、設(shè)備投資少、粉塵排放少、物流簡便等優(yōu)勢^［2］。目前企業(yè)根據(jù)自身條件制定了鐵路運輸、過跨天車運輸和汽車運輸 3 種個性化的“一罐到底”模式。

針對基于“一罐到底”模式下鐵鋼界面流程優(yōu)化的研究越來越廣泛，主要集中在對各種“一罐到底”總圖布置型式優(yōu)劣比較^［3－6］、鐵水轉(zhuǎn)運過程中溫降分析及減少溫降的對策^［7－10］、鐵水熱損失模擬預測^{［11－15］}、鐵水罐周轉(zhuǎn)過程及其優(yōu)化調(diào)控^{［16－20］}、尾罐效應(yīng)及其對生產(chǎn)指標波動的影響^{［21－22］}。但對鐵鋼界面中高爐下提前推薦最合適鐵水罐技術(shù)的研究還較少，目前缺乏對該方面

的關(guān)注。文獻中對智能配罐技術(shù)的研究大多是針對鋼包進行的配罐，且針對鋼包的配罐也主要是根據(jù)對鋼包位置的實時跟蹤，從而打破了鋼包信息的孤島，再根據(jù)相關(guān)鋼水溫度補償規(guī)則作為轉(zhuǎn)爐鋼包配罐的依據(jù)^［23］。針對鐵水罐的配罐技術(shù)相關(guān)文獻研究較少，并且大多是針對高爐下配罐制度的研究，并沒有針對根據(jù)鐵水罐實時位置信息等推薦具體的鐵水罐做相關(guān)研究。

本文通過對煉鐵 － 煉鋼區(qū)段鐵水罐位置進行跟蹤預測，并根據(jù)預測結(jié)果推薦最合適的鐵水罐，為高爐下鐵水罐的提前配罐提供了解決方案。

1 唐鋼新區(qū)鐵鋼界面配罐模式

唐鋼新區(qū)鐵鋼界面配置3座2 922 m³高爐^［24］，每個高爐共有 4 個鐵口，每個鐵次出 800 ～1 000 t 的鐵水。煉鋼區(qū)段共有 2 個煉鋼廠、4 座KR脫硫站。鐵水罐分大、小包兩種類型，分別是26 t、130t 的公稱容量。鐵水罐運輸采用“機車 + 天車”的運輸方式。

唐鋼新區(qū)的高爐爐下配罐由鐵運調(diào)度負責，現(xiàn)場調(diào)度人員根據(jù)電話溝通獲知高爐下一場出鐵的鐵口信息，再根據(jù)生產(chǎn)指揮中心下達的高爐大小包分配個數(shù)指派機車拉運空包到對應(yīng)的鐵口下進行配罐，在鐵水罐變?yōu)榭瞻以谵D(zhuǎn)爐兌完鐵落架之后，鐵運調(diào)度人員再根據(jù)哪個高爐更急需空包的原則將此類空包進行分配。在實際配罐過程中，由于可用空包數(shù)量的限制，鐵運調(diào)度人員很難在鐵次開始出鐵之前將所需的所有空包都配齊。在實際生產(chǎn)調(diào)度過程中，鐵運調(diào)度人員根據(jù)兌鐵結(jié)束的落架空包的實時產(chǎn)生情況進行動態(tài)配罐，即在實際生產(chǎn)中高爐下配罐的過程是一個動態(tài)補充的模式，如圖 1 所示。

目前唐鋼現(xiàn)場的配罐方式無法提前預測未來空包的產(chǎn)生情況，也無法綜合考慮每個鐵水罐的當前位置狀態(tài)和未來位置狀態(tài)進行合理配罐，容易導致出現(xiàn)鐵水罐周轉(zhuǎn)時長過長的問題。同時由于無法預判未來空包能否及時到爐下配罐，容易導致高爐出鐵過程中，發(fā)現(xiàn)鐵水空包不夠用，臨時上線鐵水罐也來不及，從而導致高爐緊急堵口，影響高爐的正常出鐵，打亂了煉鋼廠的鐵水供應(yīng)計劃。為了減少空包無效等待時間、鐵水罐的周轉(zhuǎn)時長、鐵水的溫降，提高鐵水罐周轉(zhuǎn)率，亟需一種綜合考慮每個鐵水罐的當前位置狀態(tài)和未來位置狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)工藝規(guī)則進行合理配罐的技術(shù)。

2 鐵鋼界面中的配罐技術(shù)研究

2． 1 鐵水罐智能配罐技術(shù)

針對上述問題，本文提出了一種煉鐵 － 煉鋼界面鐵水罐智能配罐技術(shù)。該方法通過對鐵水罐的實時位置和狀態(tài)進行跟蹤，并綜合考慮煉鋼廠冶煉計劃，進行長周期的鐵水罐未來位置和狀態(tài)的實時預測。綜合考慮高爐出鐵時間和位置，選擇最合適的鐵水罐進行配罐，給出未來的高爐下配罐計劃。對于該方法的具體描述如圖 2 所示。1) 獲取鋼鐵企業(yè)各鐵水罐煉鐵 － 煉鋼區(qū)段相關(guān)線路的實時位置信息、相關(guān)作業(yè)計劃、各計劃鐵次需要配大小包個數(shù)、離線鐵水罐列表等信息。再根據(jù)高爐出鐵計劃中各鐵次計劃的開始出鐵時間進行排序，將高爐出鐵計劃依次輸入。2) 根據(jù)當前計劃鐵次所需要大小包配罐個數(shù)及安全出鐵容量規(guī)則來確定該計劃鐵次最終所需大小包個數(shù)。通過采集的各鐵水罐實時位置和煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉計劃，進行鐵水罐未來位置和狀態(tài)的預測，進一步計算得到所有在線鐵水罐預計到達目標鐵口的時間。對各在線鐵水罐預計到達目標鐵口下的預計時間進行排序，再以鐵水罐檢修計劃為約束，初步得到該計劃鐵次的配罐包號。3) 檢查當前計劃鐵次的計劃配罐，預測到達目標鐵口時間是否符合出鐵時間要求，若有不符合要求的鐵水罐，則從離線鐵水罐中選擇上線優(yōu)先級較高的鐵水罐。按照各計劃鐵次的出鐵開始時間排序，并將所有高爐出鐵計劃遍歷之后，輸出各計劃鐵次的配罐包號。

其中基于采集的鐵水罐實時位置和煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉計劃，進行鐵水罐未來位置和狀態(tài)預測的具體流程如圖 3 所示。1) 對一段時間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出煉鐵 － 煉鋼區(qū)段各路段重 /空包的平均運輸時間、KＲ 進站平均等待時間、KＲ 脫硫平均作業(yè)時間、轉(zhuǎn)爐兌鐵平均作業(yè)時間、天車吊空 /重包平均作業(yè)時間; 2) 各在線空包通過實時采集鐵水罐空閑位置及時刻，再根據(jù)各鐵水罐需要經(jīng)過的運輸路段及各路段空包的平均運輸時間來對在線空包預計到達目標鐵口時間進行計算和預測; 3) 沒有匹配轉(zhuǎn)爐冶煉計劃的各在線重包根據(jù)鐵水罐需要經(jīng)過的運輸路段及各路段重 /空包的平均運輸時間、KR進站平均等待時間、KＲ 脫硫平均作業(yè)時間、轉(zhuǎn)爐兌鐵平均作業(yè)時間、天車吊空 /重包平均作業(yè)時間來對各在線重包到達目標鐵口時間進行計算和預測; 4) 已經(jīng)匹配轉(zhuǎn)爐冶煉計劃的各在線重包到達目標鐵口時間按照轉(zhuǎn)爐冶煉計劃的作業(yè)結(jié)束時間加上天車吊空包平均作業(yè)時間以及空包到達目標鐵口所需的各路段空包平均運輸時間來進行計算和預測。

2． 2 鐵水罐智能配罐技術(shù)的難點

該技術(shù)的實現(xiàn)需要鋼鐵企業(yè)有一定的條件支持。例如需要有較為準確的集鐵水罐實時位置采集、鐵水罐狀態(tài)采集、煉鋼廠轉(zhuǎn)爐冶煉計劃、鐵水罐檢修計劃等信息的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，并且由于各鋼鐵企業(yè)的平面布局、物理結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程會有不同程度上的差異，從而會造成對該技術(shù)的實現(xiàn)造成一定的困難和擾動。首先唐鋼現(xiàn)場鐵鋼界面的工藝路徑十分復雜( 圖 4) ，會對鐵水罐未來位置和狀態(tài)預測造成較大的困難。其次會存在例如高爐出鐵時間、出鐵量、煉鋼選取鐵水罐的不確定性、鐵水罐預計到達時間不及時、鐵水罐臨時上下線、煉鋼需求計劃變更、尾包、機車檢修等大小擾動。針對機車檢修、鐵水罐臨時上下線等小擾動，可以對原計劃進行局部優(yōu)化; 對于高爐出鐵時間、出鐵量、煉鋼選取鐵水罐的不確定性等大擾動，可以在已執(zhí)行的計劃實績約束條件下，以保證高爐出鐵安全和滿足煉鋼鐵水需求量、時間為目標，對未執(zhí)行的配罐計劃進行全局動態(tài)調(diào)整，形成新的計劃，從而保證生產(chǎn)動態(tài)有序進行。當高爐出鐵量過多以及鐵水罐預計到達時間不及時時，該方法便不能準確及時地進行配罐操作，此時便需要通過人機交互界面進行手動調(diào)整配罐。

通過上述流程實現(xiàn)對鐵鋼界面中高爐下鐵水罐的提前配罐，目前該技術(shù)已經(jīng)集成在唐鋼新區(qū)流程優(yōu)化與智能化運行系統(tǒng)中。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可以對鐵運調(diào)度進行全局鐵水罐組編運輸優(yōu)化提供基礎(chǔ)，提高鐵水罐的周轉(zhuǎn)率，從而降低鐵水罐周轉(zhuǎn)過程中由于等待造成的鐵水溫降。

3 應(yīng)用及效果

圖 5 所示為唐鋼新區(qū)流程優(yōu)化與智能化運行系統(tǒng)中集成該方法的人機交互界面。該界面可以將智能配罐技術(shù)的結(jié)果進行展示，并細化到各高爐、鐵口、鐵道上。其中包括尾包、重包、空包的提前預測配罐，以及對配罐方案的修改確認功能。

圖 6 所示為在唐鋼新區(qū)流程優(yōu)化與智能化運行系統(tǒng)中的鐵運調(diào)度圖界面對智能配罐結(jié)果進行展示。該界面通過虛擬空包的形式將智能配罐結(jié)果形象、直觀地進行展示，可以對爐下配罐方案進行清晰地表達，還可以通過拖動虛擬空包的位置對智能配罐結(jié)果進行修改。

該技術(shù)在唐鋼現(xiàn)場應(yīng)用以來，不僅從人機交互模式上改變了原有現(xiàn)場調(diào)度人員電話溝通的模式，大大降低了現(xiàn)場調(diào)度人員的溝通成本，提升了人機界面交互的程度，而且從工藝指標上使鐵水罐周轉(zhuǎn)率從 2． 47 次 /天提高到 3. 74 次 /天以上，如圖 7 所示。鐵水罐進熱軋 KＲ 的平均鐵水溫度達到 1 393 ℃ 以上( 圖 8) ，比 2022 年 3 月平均提高28 ℃ ，鐵鋼界面各項指標均有了較大程度的提升。

4 結(jié)論

1) 鐵鋼界面連接和匹配煉鐵與煉鋼的過渡過程，對整個生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性至關(guān)重要。確保界面功能的有效匹配與集成對于實現(xiàn)全流程的節(jié)能、降低消耗、減少污染和成本削減至關(guān)重要。在“一罐到底”模式的鐵鋼界面中，物質(zhì)流運行與鐵水罐的周轉(zhuǎn)過程密切相關(guān)，應(yīng)對鐵水罐的實時位置和狀態(tài)進行跟蹤，并結(jié)合相關(guān)信息對鐵水罐未來位置狀態(tài)進行預測，再考慮高爐出鐵時間和位置等工藝規(guī)則，選擇最合適的鐵水罐進行配罐，給出未來的高爐下配罐計劃。

2) 本文從提高鐵鋼界面的銜接匹配、運行節(jié)奏和流暢性的角度出發(fā)，提出了一種高爐下鐵水罐智能配罐的技術(shù)，并對該技術(shù)在唐鋼新區(qū)實際應(yīng)用中存在的一些難點問題進行了局部優(yōu)化、動態(tài)調(diào)整和人機交互的處理。該智能配罐技術(shù)在唐鋼新區(qū)的實際使用過程中表明，該技術(shù)大大降低了現(xiàn)場調(diào)度人員的溝通成本，提升了人機界面交互的程度，而且提升了鐵鋼界面運行的流暢度，使得鐵水罐周轉(zhuǎn)率、鐵水 KR進站溫度等指標有了較大程度的改善。

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