板坯加热炉单支坯料消耗成本的计算模型与实现

韩智强

（山东蒂法信息科技有限公司，山东 济南 250101）

1 加热炉概述

在国内中板、宽板、厚板产线的设计布置中，加热炉一般为步进梁蓄热式加热炉，炉内可容纳坯料支数为50~70支左右。炉内按照加热区段分为预热段、加热段、均热段三段，部分企业加热炉还将加热段按照烧嘴组数，分为第一加热段、第二加热段，即也可分为预热、一加、二加、均热四段。无论怎么区分炉内区域，炉内烧嘴和各段的区分只是从功能上和烧嘴控制上进行的概念性区分，炉堂内部并没有隔断及避火墙等设施，烧嘴产生的热量在炉内所有板坯是共享的，传统管理措施很难计算每一支板坯的消耗量，造成各大企业单位对加热消耗及成本管理基本处于粗放式管理。

2 意义

近几年来，随着物料跟踪信息系统的完善、产线计量仪表数据、进出口能耗数据及成本分摊数据的建全，结合生产管理现场需求，建立更小颗粒的成本核算及模型势在必行，为了实现板坯加热成本的精准计算及预算，并通过成本过程实时监控，成本可视化等分析工具发现成本控制的问题和不足，形成加热能源消耗和成本分析模型，为轧钢厂板坯加热工艺优化与评价、生产组织优化及板坯消耗成本改进优化提供决策支撑。

3 模型设计原理

3.1 原理概述

根据物料跟踪信息系统的时间结点，加热炉从空炉装钢开始，炉内一支钢、二支钢、五支钢直至装满二加热段为止。假设：在炉坯料每增加一支为一个整体，每个整体的消耗量按照物料跟踪系统的时间范围在能源消耗计量表进行截取，将截取的消耗量按照对应坯料整体的重量计入每一吨钢，在炉的每支坯料该时段的消耗即可按照单支坯料的实际重量得出。再将每个整体变量时段的消耗量叠加，即可得出每支坯料在炉时间内的总消耗量。

3.2 原理解析

以日历时间轴为主线，装入第一支板坯关闭装钢炉门的关闭时间为始点，到第二支板坯关闭装钢炉门的关闭时间为止点，看作一个消耗单元假设为MJ1，装入第n支、到第n+1支板坯装钢炉门的关闭时间的单元消耗总量为MJn。

炉内板坯质量用SG表示，第一支为SG1，第二支为SG2，第n支板坯为SGn，炉内板坯总质量MG为SG1、SG2、SG3至SGn的总和。单支板坯消耗用CM表示，则每一支板坯的总消耗量cm1如式（1）所示：

第二支板坯的总消耗量cm2如式（2）所示：

直至加热炉具备开始出钢条件，消耗单元的时间范围自动转化为炉内板坯重量发生变化时的炉门关闭时间为始点至下一次炉门关闭时间为一个消耗单元，消耗单元可以在日历时间轴上无限次细分，总和与入户表始终相等。每支板坯的消耗成本为不固定量，首先根据炉内料型导致的坯料支数不同而不同，根据装出炉次数及频率变化不同而不同，但总消耗总是与炉内板坯的单消耗量总和相等，计算误差设计小于0.1%为模型正常标定值。

3.3 板坯加热过程图示

空炉状态烘炉成本单独统计，作为管理单位的综合管理成本进行累加，最终平均在当月成本当中。如下图所示为开始给加热炉装板坯，装入第一支关闭炉门的时间为开始计算消耗时间，之前消耗均统计在烘炉消耗内。如下页图1所示。

由于当前加热炉为空炉状态，装钢节奏较快，炉子在坯料足够的前提下，会以最快速度装至二加热段满为止，加热炉开始加大烧嘴输入热量，该段消耗单元的能量输入量较高，均由上述计算方法计入炉内板坯消耗中，炉内板坯状态如图2所示。

经过一段时间的加热，处于一加、二加段的板坯温度基本接近出炉温度后，会进入均热段，后续继续装入常温板坯，如图3为加热炉装满炉状态。

图4为开始出钢状态，加热炉此时的消耗单元时间进一步细分，消耗单元的时间自动切换为炉内板坯重量发生变化时的炉门关闭时间为始点，至下一次炉门关闭时间止点为一个消耗单元，炉门关闭时间包括装钢炉门及出钢炉门，可以是两次装钢炉门或出钢炉门的关闭时间，也可以是一道出钢炉门的关闭时间与二道装钢炉门的关闭时间，如图4所示。两个最近的炉门的关闭时间为一个消耗单元，计算对应炉内板坯重量的吨钢消耗，计入在炉板坯单支消耗成本，第n支板坯从入炉一直叠加不同消耗单元的吨钢消耗值，直至出炉计算出第n支板坯的单支板坯消耗成本。如此这个叠加累计的计算模型即可得出。

3.4 计算模型

计算模型分为空炉、正常出钢、排空三种情况，计算根据信息化系统做出的判断，调用不同的计算模型，即可实现在线应用的智能计算。

3.4.1 空炉状态下的计算模型

式中：cmi为单支坯料消耗值，是一个n次的叠加值；n为单元消耗次数，第i支钢从入炉到出炉的消耗单元次；i为炉内坯料顺序号，i=1，…，999，要求单加热炉最多装钢支数不超过199支；MJj为第i支坯料的第j次单元消耗总量j=i，…，n；MGj为第i支坯料的第j次炉内总坯料质量，对应第j次单元消耗量；SGi为第i支坯料的单重，炉内坯料总量的吨钢消耗值乘以单重为单支坯料在该单元消耗期间的消耗量。

3.4.2 正常出钢状态的计算模型

式中：cmi为单支坯料消耗值，是一个n次的叠加值；n为单元消耗次数，第i支钢从入炉到出炉的消耗单元次；m为炉内坯料总支数，为一个变量，从三级的SlabID获取k=1，…，m；i为炉内坯料顺序号，i=1，…，999，要求单加热炉最多装钢支数不超过199支；MJj为第i支坯料的第j次单元消耗总量为第i支坯料的第j次炉内总坯料质量k=1，…，m；SGi为第i支坯料的单重，炉内坯料总量的吨钢消耗值乘以单重为单支坯料在该单元消耗期间的消耗量。

3.4.3 排空状态的计算模型

式中：cmi为单支坯料消耗值，是一个n次的叠加值；n为单元消耗次数，第i支钢从入炉到出炉的消耗单元次j=i；i为炉内坯料顺序号，i=1，…，999，要求单加热炉最多装钢支数不超过199支；MJj为第i支坯料的第j次单元消耗总量j=i，…，n；MGj为第i支坯料的第j次炉内总坯料重量，对应第j次单元消耗量；SGi为第i支坯料的单重，炉内坯料总量的吨钢消耗值乘以单重为单支坯料在该单元消耗期间的消耗量。

4 工业模型应用的实现

计算模型应用在产业互联网领域，体现在两个方面：一方面是靠算法、数据、模型，把消费互联网积累的连接方式和思维模型应用到产业数据中，让数据融入整个产业数据池，所有产生的数据再处理后，可以为生产、效益、质量、营销、交付、成本、管理进行辅助决策[1]。另一方面，在云计算、机器学习、AI智能这些数据业务化的应用中，通过自动化、网络化、智能化的方式，让工业生产实绩先虚拟数据化，把数据再根据管理需求整合成与生产实绩相关联的结果，打造全新的数据产业链，同样让不同生产单元模块的数据产生新的协同，提供更广域的管理决策支撑[2]。

在企业中最终通过信息化附能，为传统制造型企业进行工业互联网附能，为企业在当前同行业复杂的市场竞争中提供有力的数据支撑和精准的控制手段。

5 结论

本文结合多年的现场管理经验与产线信息化管理系统设计理念，借鉴阿米巴管理思路，把板坯加热过程中在炉板坯假设为一个整体，把整个加热过程纵向进行时间单元的分隔，以2个最近关闭炉门的时间为一个消耗单元，将时间轴的整体消耗分隔成阿米巴最小单元，通过叠加单支板坯不同时段的吨钢消耗计算出单支板坯的消耗量及消耗成本。

结合现代化工业物联网技术与信息化管理工具的技术手段，把计算模型嵌入到管理系统中，融合当前消费互联网思维，在工业物联网技术的发展基础上，形成加热炉板坯消耗和成本分析模型及核算管理单元，为企业智慧运营管理系统的实现提供底层数据支撑，同时也可以为轧钢厂板坯加热工艺优化与评价、生产组织优化及板坯消耗成本改进优化提供决策支撑。