探究炼钢-连铸生产启发式调度方法

马 强

(首钢京唐钢铁联合责任有限公司，唐山 063200)

0 引 言

炼钢-连铸的生产过程中主要包括冶炼、精炼以及浇铸三个主要的工艺过程，主要工作任务是将通过焦炭燃烧产生的高温，将铁水经冶炼成为钢水，再将钢水浇筑成为钢坯。在炼钢-连铸生产过程中，重点是对温度的控制，目的是防止高温钢水在多个工序之间，除正常运输之外而出现温度下降的问题，从而保证钢水能够在多个生产工序中满足实际温度控制需求。炼钢-连铸生产调度问题实际上是对生产工序中运输时间、生产工艺路径存在的回环和最后阶段是同一炉次连续加工的特殊生产问题。

1 炼钢-连铸生产调度问题描述

炼钢过程中主要采用焦炭，因为焦炭较为纯净，所产生的热量较高，能够满足铁矿水高温加热转化为铁水的需求。炼钢-连铸生产的流程主要为将铁水经过冶炼、精炼和浇铸，最终成为钢坯，钢水在生产设备中通过天车和台车完成运输，在转炉炼钢的过程中高炉所生产的铁水会被运输到转炉后与废钢共同进入转炉中，之后采用氧枪供氧吹炼将转炉中的铁水和废钢经过加工，制造成为未经精炼调整目标成分和温度的液态钢水[1]。与此同时，转炉所生产的钢水必须达到规定温度和成分的要求才能浇注成需要的钢坯。精炼工序就是对钢水进行脱气处理、脱氧处理或者脱硫处理等，使钢水成分更加均匀化，并将其中还存在的杂物去除，准确地掌控钢水内成分和温度，需要通过焦炭等温度容易控制的能源实现。浇铸是将具有较高温度的钢水通过连铸机固化处理、冷却处理、拉矫处理以及切割处理，使其表面不存在缺陷，内部组织在合理的温度控制下最终形成钢坯，从而为其他产品生产提供基础原材料。当前我国炼钢冶炼工艺有常规冶炼工艺和“全三脱”冶炼工艺；精炼工艺有RH精炼、LF精炼、CAS精炼、VD精炼等，由此可以看出炼钢-连铸工艺流程较为复杂，钢水在精炼过程中需要经过多种复杂的工艺处理。以首钢京唐炼钢厂为例，京唐炼钢厂包含精炼工艺有RH精炼、LF精炼、CAS精炼，三重精练是指钢水在精练工序中需要经过三次处理，三次处理的精练类型可能是同一种类型，也能使不同的两种精练类型或三种精练类型，当三重精练的钢水经过精练类型加工时，加工路线可能会出现“回环”问题[2]。

所谓炉次，是指某一炉钢水从转炉设备内加工冶炼之后，经过钢包载运到精炼设备中进行精炼，之后到连铸完成浇铸的全过程。一个炉次的钢水是一台转炉一炉所冶炼的钢水，在同一台连铸机中连续浇铸的炉次集合为浇次，在这个集合中能够确定炉次的个数和炉次在浇筑中的先后顺序。

2 炼钢-连铸生产调度问题的解决方法分析

根据部分学者对炼钢-连铸生产调度模型的研究不难发现，模型中具有许多约束方程、连续变量和离散变量，采用常规的数学方法以及智能优化法都不能快速解决该问题，从而无法满足炼钢-连铸生产调度对于实时性的要求。因此，本文采用启发式方法对炼钢-连铸生产调度的复杂问题进行快速优化求解，启发式解决方法的求解过程是选择重要调度的炉次，之后为该炉次确定合适的加工设备，并确定炉次的作业时间。由此可以看出，启发式解决方法的求解过程中最为主要的问题是炉次调度顺序以及炉次加工设备确定，同时能够对炼钢所需要的能源进行一定优化，降低炼钢过程中的能源消耗。

3 炼钢-连铸生产调度启发方法分析

3.1 调度顺序分析

操作预开工时间需要按照从晚到早的顺序依次选择炉次操作对其进行调度。本文所采用的方法为，将炉次操作看做最小单元进行调度，调度顺序的确定就是对所有操作的先后顺序进行确定，调度是按照操作预开工时间从晚到早的顺序确定操作调度顺序，所以每个浇次所在的连铸机、开浇时间和操作设备中的处理时间全部已经确定，所以可以计算出每个炉次在连铸机中的每个操作预开工时间，计算公式为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。根据上述公式即可计算炉次在连铸机中的预开工时间，同时可以逆推出炉次在非连续浇铸工序中的预开工时间。与此同时，结合其他计算公式计算连铸机中的预开工时间，并根据炉次在连铸机中的预开工时间的顺序对单个炉次进行调度，并对所有的操作根据工艺流程逆序进行相应的调度[3]。

3.2 设备确定

炉次操作的设备确定是为炉次操作选择在非连续浇铸流程中的加工设备，从而能够减少加工冲突时间，并减少连续浇铸的断浇时间和炉次在其他设备中等待时间，还能够减少焦炭等能源消耗。本文所提出的优先级设备确定方法为：操作时间和作业时间冲突数值最小规则、设备之间的运输冲突时间最小规则作为操作设备确定，当确定结果为多台设备的情况时，从多台设备中根据运输最小时间规则为操作设备确定，当确定结果依然是多台设备，则需要从多台设备中选择一台作为操作加工设备。根据该方法可以看出，当设备作业时间发生冲突时，操作在设备中的等待时间就是作业时间的冲突数值，所以在设备确定过程中可以从加工炉次操作的多台设备中选择能够使作业时间冲突最小的设备作为加工设备，所以可以确保操作在设备中的等待时间最少，还能够使同一炉次在多台设备之间的操作加工时间等待最少。

在开工时间最晚原则方面，因为每一个浇次的开浇时间已经确定，所以对每一个炉次操作设备确定过程中，都是对每一个炉次操作根据逆序进行了操作设备确定。在对操作设备进行确定时，需要选取能够使开工时间最晚的设备作为操作加工生产设备，从而能够将操作设备中的冲突时间和运输时间最小化。

3.3 启发式方法

根据上述调度顺序和操作设备的确定优先级组合，就可以确定启发式调度方法。本文所提出的启发式算法基本流程为：

(1)确定所有炉次操作的集合，并确定炉次操作的总次数。

(2)根据相应的公式计算出所有炉次操作的预开工时间。

(3)采用调度顺序方法确定需要调度的炉次操作。

(4)根据连铸机中的加工操作，确定连铸机操作设备。

(5)当所有操作调度结束后，算法结束完成。

3.4 启发式方法仿真测试

在完成启发式算法确定后，需要开展仿真实验，下表为在仿真实验过程中，炉次在设备中的处理时间数据。

表1 炉次在设备中的处理时间

根据仿真结果则可以对炼钢-连铸生产流程进行优化。炼钢-连铸是现代钢铁生产企业的核心生产工序，但是因为工艺复杂、能源消耗较大、设备较多等因素的影响，生产调度计划编制难度较大，基于启发式方法可以对炼钢-连铸工序进行优化。

4 结束语

综上所述，本文提出了基于启发式方法的炼钢-连铸生产调度优化措施，希望能够对我国钢铁生产企业发挥出一定的借鉴和帮助作用。