炼钢–连铸区段3种典型工序界面技术研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 杨建平张江山刘青 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section YANG Jian-ping.ZHANG Jiang-shan,LIU Qing 引用本文： 杨建平，张江山，刘青.炼钢连俦区段3种典型工序界面技术研究进展.工程科学学报，2020,42(12)：1542-1556.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.05.08.001 YANG Jian-ping,ZHANG Jiang-shan,LIU Qing.Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(12):1542-1556.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.08.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.08.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 炼钢连铸生产调度的研究进展 Progress of research on steelmakingcontinuous casting production scheduling 工程科学学报.2020,42(2：144htps/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.04.30.002 基于“炉机对应”的炼钢连铸生产调度问题遗传优化模型 Genetic optimization model of steelmakingcontinuous casting production scheduling based on the "furnacecaster coordinating" strategy 工程科学学报.2020.42(5)：645 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.08.02.004 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes 工程科学学报.2020,42(8)：939htps:/loi.org/10.13374/.issn2095-9389.2019.10.15.001 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报.2018.40(7)：767 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.07.001 银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺 Preparation process of silver clad aluminum bars by vertical continuous casting composite forming 工程科学学报.2019,41(5)：633htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.05.010 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报.2019,41(1)：12 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.002

炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 杨建平 张江山 刘青 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section YANG Jian-ping, ZHANG Jiang-shan, LIU Qing 引用本文: 杨建平, 张江山, 刘青. 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(12): 1542-1556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001 YANG Jian-ping, ZHANG Jiang-shan, LIU Qing. Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(12): 1542-1556. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.08.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 炼钢连铸生产调度的研究进展 Progress of research on steelmakingcontinuous casting production scheduling 工程科学学报. 2020, 42(2): 144 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.30.002 基于“炉机对应”的炼钢连铸生产调度问题遗传优化模型 Genetic optimization model of steelmakingcontinuous casting production scheduling based on the “furnacecaster coordinating” strategy 工程科学学报. 2020, 42(5): 645 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.02.004 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes 工程科学学报. 2020, 42(8): 939 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报. 2018, 40(7): 767 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.001 银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺 Preparation process of silver clad aluminum bars by vertical continuous casting composite forming 工程科学学报. 2019, 41(5): 633 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.010 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(1): 12 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.002

工程科学学报.第42卷.第12期：1542-1556.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.12:1542-1556,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001;http://cje.ustb.edu.cn 炼钢-连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 杨建平”，张江山，刘青，2)☒ 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学钢铁生产制造执行系统教育部工程研究中心，北京 100083 ☒通信作者.E-mail:qliu@ustb.edu.cn 摘要面对钢厂智能化发展的时代要求，炼钢-连铸区段工序界面技术受到越来越多冶金学者的关注，其不仅是解决工序 关系集合协同-优化问题的重要手段.也影响着工序功能集合解析-优化和流程工序集合重构一优化的效果.本文对炼钢-连 铸区段3种典型工序界面技术，即钢包运行控制、天车运行控制和生产运行模式优化的研究进展进行阐述，其中，钢包运行控 制包括钢包热状态监测、钢包选配以及钢包调度，天车运行控制包括吊运任务的分配和同跨/异跨天车的协同调度，生产运行 模式优化包括工序设备产能、时间节奏与炉-机对应模式的匹配设计.此外，针对炼钢-连铸区段多工序协同运行的制约因 素，指出工序界面技术协同的必要性，并对上述工序界面技术的协同机制与协同方案进行了阐述. 关键词炼钢-连铸：工序界面技术；钢包运行；天车运行；生产运行模式：协同 分类号TF758 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section YANG Jian-ping,ZHANG Jiang-shan LIU Qing2 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 10008,China 2)Engineering Research Center of MES Technology for Iron&Steel Production,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:qliu@ustb.edu.cn ABSTRACT Metallurgical process engineering proposed by academician Ruiyu Yin is a new branch in the field of metallurgy,which deals with the physical nature,structure,and global behavior of metallurgical manufacturing process.Process interface technology used in steelmaking-continuous casting section(SCCS)is developed from metallurgical process engineering.It is used to study and analyze the running dynamics of mass flow in steelmaking plants.In recent years,the intelligent and green production in steelmaking plants has become the demand and necessity of the time because of the rapid development of intelligent manufacturing represented by Industry 4.0 in Germany.Nowadays,the automation control of single-process has been realized in most steelmaking plants at home and abroad, which is a stepping zone and has created the foundation for the intelligent and green production.But at the same time,importance also should be given for the improvement in the multi-process operation of SCCS considering the global optimization on steelmaking production.Undoubtedly the process interface technology is an important method to deal with the collaboration-optimization of process relationship set,but also it has a greater influence on the analysis-optimization of process function set and the reconstruction- optimization of process set.Therefore,the process interface technology has created lot of interest and drawn greater attention from scholars and experts of metallurgy,which results in the great improvement of the multi-process operation in SCCS.Currently,three kinds of classic process interface technologies,including ladle cycling control,crane running control,and operation mode optimization, 收稿日期：2020-05-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874014)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-BR-17-029A)

炼钢–连铸区段 3 种典型工序界面技术研究进展 杨建平1)，张江山1)，刘    青1,2) 苣 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083    2) 北京科技大学钢铁生产制造执行系统教育部工程研究中心，北京 100083 苣通信作者，E-mail: qliu@ustb.edu.cn 摘    要    面对钢厂智能化发展的时代要求，炼钢–连铸区段工序界面技术受到越来越多冶金学者的关注，其不仅是解决工序 关系集合协同–优化问题的重要手段，也影响着工序功能集合解析–优化和流程工序集合重构–优化的效果. 本文对炼钢–连 铸区段 3 种典型工序界面技术，即钢包运行控制、天车运行控制和生产运行模式优化的研究进展进行阐述，其中，钢包运行控 制包括钢包热状态监测、钢包选配以及钢包调度，天车运行控制包括吊运任务的分配和同跨/异跨天车的协同调度，生产运行 模式优化包括工序/设备产能、时间节奏与炉–机对应模式的匹配设计. 此外，针对炼钢–连铸区段多工序协同运行的制约因 素，指出工序界面技术协同的必要性，并对上述工序界面技术的协同机制与协同方案进行了阐述. 关键词    炼钢–连铸；工序界面技术；钢包运行；天车运行；生产运行模式；协同 分类号    TF758 Research  progress  on  three  kinds  of  classic  process  interface  technologies  in steelmaking-continuous casting section YANG Jian-ping1) ，ZHANG Jiang-shan1) ，LIU Qing1,2) 苣 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Engineering Research Center of MES Technology for Iron & Steel Production, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: qliu@ustb.edu.cn ABSTRACT    Metallurgical process engineering proposed by academician Ruiyu Yin is a new branch in the field of metallurgy, which deals with the physical nature, structure, and global behavior of metallurgical manufacturing process. Process interface technology used in steelmaking-continuous casting section (SCCS) is developed from metallurgical process engineering. It is used to study and analyze the running dynamics of mass flow in steelmaking plants. In recent years, the intelligent and green production in steelmaking plants has become the demand and necessity of the time because of the rapid development of intelligent manufacturing represented by Industry 4.0 in  Germany.  Nowadays,  the  automation  control  of  single-process  has  been  realized  in  most  steelmaking  plants  at  home  and  abroad, which is a stepping zone and has created the foundation for the intelligent and green production. But at the same time, importance also should  be  given  for  the  improvement  in  the  multi-process  operation  of  SCCS  considering  the  global  optimization  on  steelmaking production. Undoubtedly the process interface technology is an important method to deal with the collaboration-optimization of process relationship  set,  but  also  it  has  a  greater  influence  on  the  analysis-optimization  of  process  function  set  and  the  reconstruction￾optimization  of  process  set.  Therefore,  the  process  interface  technology  has  created  lot  of  interest  and  drawn  greater  attention  from scholars  and  experts  of  metallurgy,  which  results  in  the  great  improvement  of  the  multi-process  operation  in  SCCS.  Currently,  three kinds of classic process interface technologies, including ladle cycling control, crane running control, and operation mode optimization, 收稿日期: 2020−05−08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（50874014）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-BR-17-029A） 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期：1542−1556，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 12: 1542−1556, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001; http://cje.ustb.edu.cn

杨建平等：炼钢-连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 1543 have become the most important research areas because of their significant effect on the high-efficient connection of mass flow among multi-process.The scope of ladle cycling control includes the monitoring of thermal state and the matching and scheduling of ladles.The task assignment and multi-crane collaborative scheduling are the most important components of crane running control and it is of great interest to research further.When operation mode optimization is considered,the improvement of furnace-caster coordinating mode based on the matching of capacity and rhythm can be regarded as the most interesting research area.It is known that the operation mode is the fundamental for ladle cycling and crane running,and moreover,the status of ladle cycling and crane running also can guide the further optimization of operation mode.Based on above analysis,this paper presented a detailed overview of progress made in the research on abovementioned three kinds of classic process interface technologies in SCCS.Further,the necessity of collaboration between process interface technologies was also illustrated,aiming at unfavorable restraints of multi-process collaborative operation.In addition,the collaboration mechanisms and schemes of all three kinds of classic process interface technologies were described in detail. Finally,it is expected that this review could offer some reference and guidance for the improvements in multi-process operation of SCCS. KEY WORDS steelmaking-continuous casting;process interface technology;ladle cycling;crane running;operation mode; collaboration 随着制造、控制、信息等技术的发展，以德国 技术.Semura与Matsuura句综述了近年来炉外精炼 “工业4.0”为代表的智能制造推动着工业生产的 技术的发展：殷瑞钰)总结了不同炉外精炼技术 转型与升级四.在此时代背景下，大力发展钢铁工 的冶金功能与适用性，并重点阐述了其对前后工 业的智能制造，是完成我国从钢铁大国向钢铁强 序运行节奏的协调缓冲作用.当前，主要从精炼工 国转型的关键.炼钢-连铸作为钢铁制造流程的核 序装置改进向、精炼工序柔性作业时间控制-、 心区段，是一个涉及多个复杂物理化学反应的气- 精炼过程及终点钢水温度调控山等方面对精炼 液-固多相共存的高温(1500~1700℃)、准连续过 工序的协调缓冲作用进行了大量研究.目前，已公 程，相比铁前与轧钢区段，其生产运行的智能化面 开发表的文献对钢包运行控制、天车运行控制和 临更大挑战.殷瑞钰院士指出实现炼钢-连铸过程 生产运行模式优化3种工序界面技术也进行了不 的智能化，需实现工序功能集合的解析-优化、工 同程度的研究，却鲜有相关研究进展的综述报道 序关系集合的协同-优化与流程工序集合的重构- 鉴于此，本文针对影响多工序衔接效率的钢包运 优化，而工序界面技术不仅是解决工序关系集合， 行控制、天车运行控制和生产运行模式优化3种 诸如传递-遗传关系、时-空配置关系、衔接-匹配 典型工序界面技术的研究进展进行综述，与此同 关系、缓冲-链接关系、信息一调控关系等协同-优 时，钢包、天车和生产运行模式分别作为物质流运 化的重要手段，对于工序功能集合的解析-优化和 行的“盛载者”、“执行者”和“驱动者”，本文将 流程工序集合的重构-优化也有着重要作用，是炼 3者在炼钢厂运行过程的行为与特征研究进展进 钢-连铸过程智能化的核心技术之一 行综合讨论，在炼钢-连铸智能化发展的大环境下 《冶金流程工程学》指出)，炼钢-连铸区段工 具有较强的应用前景与现实意义.此外，基于3种 序界面技术是指炼钢、连铸等主体工序之间的衔 工序界面技术研究进展的分析，并围绕影响炼钢 接-匹配、协调-缓冲技术及相应的装置，包括二次 连铸过程有序、稳定、准连续/连续运行的产品结 冶金（炉外精炼）工序及其装置、钢包、天车、中间 构、工序作业周期等因素，提出3种工序界面技术 包、车间平面布置和输送能力配置以及各工序和 的协同机制与协同方案，为实现钢厂各工序之间 装置的数量（能力）以及对应匹配的设计等.刘青 或钢铁制造流程各区段之间物质流的高效衔接提 等提出钢厂的运行优化应包含系统产能核算、 供参考 生产运行模式优化、钢包/天车运行控制等内容， 1钢包运行控制 是对炼钢-连铸区段工序界面技术的进一步阐述. 随着炼钢-连铸过程智能化技术发展的深入，国内 作为炼钢-连铸区段物质流运行的“盛载者”， 外冶金学者对影响炼钢-连铸区段上下游工序衔 钢包不仅是盛载、运输钢水的容器，同时也承担着 接的界面技术越发重视，主要包括炉外精炼、钢包 多种冶金功能，如钢水的合金化、吹氩等操作均在 运行控制、天车运行控制、生产运行模式优化等 钢包中进行：此外，钢包在运行过程中也起到协调

have become the most important research areas because of their significant effect on the high-efficient connection of mass flow among multi-process. The scope of ladle cycling control includes the monitoring of thermal state and the matching and scheduling of ladles. The task assignment and multi-crane collaborative scheduling are the most important components of crane running control and it is of great interest  to  research  further.  When  operation  mode  optimization  is  considered,  the  improvement  of  furnace-caster  coordinating  mode based on the matching of capacity and rhythm can be regarded as the most interesting research area. It is known that the operation mode is the fundamental for ladle cycling and crane running, and moreover, the status of ladle cycling and crane running also can guide the further  optimization  of  operation  mode.  Based  on  above  analysis,  this  paper  presented  a  detailed  overview  of  progress  made  in  the research  on  abovementioned  three  kinds  of  classic  process  interface  technologies  in  SCCS.  Further,  the  necessity  of  collaboration between process interface technologies was also illustrated, aiming at unfavorable restraints of multi-process collaborative operation. In addition, the collaboration mechanisms and schemes of all three kinds of classic process interface technologies were described in detail. Finally,  it  is  expected  that  this  review  could  offer  some  reference  and  guidance  for  the  improvements  in  multi-process  operation  of SCCS. KEY  WORDS    steelmaking-continuous  casting； process  interface  technology； ladle  cycling； crane  running； operation  mode； collaboration 随着制造、控制、信息等技术的发展，以德国 “工业 4.0”为代表的智能制造推动着工业生产的 转型与升级[1] . 在此时代背景下，大力发展钢铁工 业的智能制造，是完成我国从钢铁大国向钢铁强 国转型的关键. 炼钢–连铸作为钢铁制造流程的核 心区段，是一个涉及多个复杂物理化学反应的气− 液−固多相共存的高温（1500～1700 ℃）、准连续过 程，相比铁前与轧钢区段，其生产运行的智能化面 临更大挑战. 殷瑞钰院士指出实现炼钢–连铸过程 的智能化，需实现工序功能集合的解析–优化、工 序关系集合的协同–优化与流程工序集合的重构– 优化，而工序界面技术不仅是解决工序关系集合， 诸如传递–遗传关系、时–空配置关系、衔接–匹配 关系、缓冲–链接关系、信息–调控关系等协同–优 化的重要手段，对于工序功能集合的解析–优化和 流程工序集合的重构–优化也有着重要作用，是炼 钢–连铸过程智能化的核心技术之一[2] . 《冶金流程工程学》指出[3] ，炼钢–连铸区段工 序界面技术是指炼钢、连铸等主体工序之间的衔 接–匹配、协调–缓冲技术及相应的装置，包括二次 冶金（炉外精炼）工序及其装置、钢包、天车、中间 包、车间平面布置和输送能力配置以及各工序和 装置的数量（能力）以及对应匹配的设计等. 刘青 等[4] 提出钢厂的运行优化应包含系统产能核算、 生产运行模式优化、钢包/天车运行控制等内容， 是对炼钢–连铸区段工序界面技术的进一步阐述. 随着炼钢–连铸过程智能化技术发展的深入，国内 外冶金学者对影响炼钢–连铸区段上下游工序衔 接的界面技术越发重视，主要包括炉外精炼、钢包 运行控制、天车运行控制、生产运行模式优化等 技术. Semura 与 Matsuura[5] 综述了近年来炉外精炼 技术的发展；殷瑞钰[3] 总结了不同炉外精炼技术 的冶金功能与适用性，并重点阐述了其对前后工 序运行节奏的协调缓冲作用. 当前，主要从精炼工 序/装置改进[6]、精炼工序柔性作业时间控制[7−8]、 精炼过程及终点钢水温度调控[9−11] 等方面对精炼 工序的协调缓冲作用进行了大量研究. 目前，已公 开发表的文献对钢包运行控制、天车运行控制和 生产运行模式优化 3 种工序界面技术也进行了不 同程度的研究，却鲜有相关研究进展的综述报道. 鉴于此，本文针对影响多工序衔接效率的钢包运 行控制、天车运行控制和生产运行模式优化 3 种 典型工序界面技术的研究进展进行综述，与此同 时，钢包、天车和生产运行模式分别作为物质流运 行的“盛载者”、“执行者”和“驱动者” ，本文将 3 者在炼钢厂运行过程的行为与特征研究进展进 行综合讨论，在炼钢–连铸智能化发展的大环境下 具有较强的应用前景与现实意义. 此外，基于 3 种 工序界面技术研究进展的分析，并围绕影响炼钢– 连铸过程有序、稳定、准连续/连续运行的产品结 构、工序作业周期等因素，提出 3 种工序界面技术 的协同机制与协同方案，为实现钢厂各工序之间 或钢铁制造流程各区段之间物质流的高效衔接提 供参考. 1    钢包运行控制 作为炼钢–连铸区段物质流运行的“盛载者”， 钢包不仅是盛载、运输钢水的容器，同时也承担着 多种冶金功能，如钢水的合金化、吹氩等操作均在 钢包中进行；此外，钢包在运行过程中也起到协调 杨建平等： 炼钢–连铸区段 3 种典型工序界面技术研究进展 · 1543 ·

·1544 工程科学学报，第42卷，第12期 前后工序运行节奏的作用.图1所示为钢包在炼 SO2为粘接剂的绝热板保温效果最优.除了测量 钢-连铸区段运行1周期的示意图，包括满包和空 包衬温度，钢水测温也属于实测法研究钢包热状 包运行阶段.钢包在满包运行阶段需完成钢水盛 态的常用手段，Zou等设计了一种带有真空层 接、运输、精炼、浇注等任务，空包运行阶段主要 的新型钢包，通过热电偶对钢包运行过程中钢水 进行倒渣、钢包维修及烘烤作业.而所谓钢包运 温度变化的测量，得到当真空层气压为50Pa时， 行控制，是指钢厂根据生产作业计划与实际作业 其保温效果是一般绝热层的11倍，但该新型钢包 情况，计算所需的在线钢包使用数量，并借助定位 是通过外焊不锈钢板来构造真空层，对其使用寿 跟踪、数值模拟等技术，确定各钢包的位置和热状 命尚需做进一步评价 态，在此基础上实现钢包运行路径的有效调控、钢 关于数值模拟方法，其一直是研究复杂多相 包运行控制主要包括钢包运行过程热状态监测、 系统传热-流动行为的重要手段，先前由于计算机 钢包选配与钢包调度3方面研究内容 性能和模拟软件功能的限制，通常构建一维传热 1.1钢包运行过程热状态监测 模型来研究钢包运行过程热状态，虽然计算效率 1.1.1研究方法 高，但一维传热模型忽略了较多影响因素，计算结 钢包运行过程热状态监测的研究方法主要包 果的可信性较低6.随着计算机运算能力的大幅 括钢包/钢水温度实测法和数值模拟方法.文献[12] 提高和模拟软件的不断升级，二/三维传热模型的 分别对两种方法的优缺点进行了论述，其中，实测 高效求解成为可能.Zabadal等nm基于有限差分法 法具有较高的可靠性，但操作困难，且投资较大； 构建了二维传热模型，研究新、旧两类钢包运行过 而数值模拟方法能够研究各种复杂工况下的钢包 程包衬不同位置的温度场分布和散热情况，并通 热状态，但运算量较大，且结果准确性难以检验. 过实测包衬温度验证了模拟结果的可靠性.L山等 在实测法方面，吴晓东等通过在包衬内嵌 考虑了钢水热分层和自然对流行为，应用Fluent方 入热电偶，直接测量宝钢某钢厂钢包在各运行阶 法求解钢包/钢水传热的三维模型，结果表明钢水 段的包衬温度变化，指出新钢包在前两次运行周 热分层和流动对包衬传热和包壳散热有显著影 期内处于蓄热状态，应适时提高转炉出钢温度以 响，但渣线以下包壳表面温度和散热较为均匀，如 补偿钢水温降：当包衬蓄热饱和后，其工作层在空 图2所示.相比于一维传热模型，二维/三维传热模 包运行阶段的温降较为明显，其余部位温度较为 型因考虑更多的影响因素，计算结果的可靠性有 稳定.随着测温技术的发展，Mazzetti-Succil使用 了较大提高，但要实现钢包运行过程热状态的精 红外热成像仪监测钢包运行过程的包衬温度，研 准监测，仍需结合实测法来对数值模拟结果进行 究了5种不同绝热板对钢包热状态的影响，最终 检验和校正 确定成分为质量分数52%Al203+45%Si02、并以 通过包衬内嵌热电偶的实测法虽然能够获得 Ladle Conyerter refining Ladle Tapping Transfer Refining Transfer Casting adle Ladle Transfer Preheating Repairing Deslagging I ranster 图1炼钢-连铸区段钢包运行示意图 Fig.1 Schematic of ladle cycling in SCCS

前后工序运行节奏的作用. 图 1 所示为钢包在炼 钢–连铸区段运行 1 周期的示意图，包括满包和空 包运行阶段. 钢包在满包运行阶段需完成钢水盛 接、运输、精炼、浇注等任务，空包运行阶段主要 进行倒渣、钢包维修及烘烤作业. 而所谓钢包运 行控制，是指钢厂根据生产作业计划与实际作业 情况，计算所需的在线钢包使用数量，并借助定位 跟踪、数值模拟等技术，确定各钢包的位置和热状 态，在此基础上实现钢包运行路径的有效调控. 钢 包运行控制主要包括钢包运行过程热状态监测、 钢包选配与钢包调度 3 方面研究内容. 1.1    钢包运行过程热状态监测 1.1.1    研究方法 钢包运行过程热状态监测的研究方法主要包 括钢包/钢水温度实测法和数值模拟方法. 文献 [12] 分别对两种方法的优缺点进行了论述，其中，实测 法具有较高的可靠性，但操作困难，且投资较大； 而数值模拟方法能够研究各种复杂工况下的钢包 热状态，但运算量较大，且结果准确性难以检验. 在实测法方面，吴晓东等[13] 通过在包衬内嵌 入热电偶，直接测量宝钢某钢厂钢包在各运行阶 段的包衬温度变化，指出新钢包在前两次运行周 期内处于蓄热状态，应适时提高转炉出钢温度以 补偿钢水温降；当包衬蓄热饱和后，其工作层在空 包运行阶段的温降较为明显，其余部位温度较为 稳定. 随着测温技术的发展，Mazzetti-Succi[14] 使用 红外热成像仪监测钢包运行过程的包衬温度，研 究了 5 种不同绝热板对钢包热状态的影响，最终 确定成分为质量分数 52% Al2O3+45% SiO2、并以 SiO2 为粘接剂的绝热板保温效果最优. 除了测量 包衬温度，钢水测温也属于实测法研究钢包热状 态的常用手段，Zhou 等[15] 设计了一种带有真空层 的新型钢包，通过热电偶对钢包运行过程中钢水 温度变化的测量，得到当真空层气压为 50 Pa 时， 其保温效果是一般绝热层的 11 倍，但该新型钢包 是通过外焊不锈钢板来构造真空层，对其使用寿 命尚需做进一步评价. 关于数值模拟方法，其一直是研究复杂多相 系统传热–流动行为的重要手段，先前由于计算机 性能和模拟软件功能的限制，通常构建一维传热 模型来研究钢包运行过程热状态，虽然计算效率 高，但一维传热模型忽略了较多影响因素，计算结 果的可信性较低[16] . 随着计算机运算能力的大幅 提高和模拟软件的不断升级，二/三维传热模型的 高效求解成为可能. Zabadal 等[17] 基于有限差分法 构建了二维传热模型，研究新、旧两类钢包运行过 程包衬不同位置的温度场分布和散热情况，并通 过实测包衬温度验证了模拟结果的可靠性. Lu 等[18] 考虑了钢水热分层和自然对流行为，应用 Fluent 方 法求解钢包/钢水传热的三维模型，结果表明钢水 热分层和流动对包衬传热和包壳散热有显著影 响，但渣线以下包壳表面温度和散热较为均匀，如 图 2 所示. 相比于一维传热模型，二维/三维传热模 型因考虑更多的影响因素，计算结果的可靠性有 了较大提高，但要实现钢包运行过程热状态的精 准监测，仍需结合实测法来对数值模拟结果进行 检验和校正. 通过包衬内嵌热电偶的实测法虽然能够获得 Converter Ladle refining Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Caster Transfer Casting Transfer Transfer Transfer Tapping Refining Preheating Repairing Deslagging 图 1    炼钢−连铸区段钢包运行示意图 Fig.1    Schematic of ladle cycling in SCCS · 1544 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

杨建平等：炼钢-连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 ·1545 Temperature/K (a) Heat flux/(W.m2) (b) ☐634.3 ☐8961.5 606.6 8132.8 578.8 7304.1 551.1 6475.5 523.4 5646.8 495.7 4818.1 467.9 3989.4 440.2 3160.8 412.5 2332.1 384.7 00.751.50 1503.400.751.50 357.0 Scale/m 674.7 Scale/m 图2钢包包壳温度与热流量分布图刷(a)温度分布：(b)热流量分布 Fig.2 Distributions of temperature and heat flux on ladle shelllsl:(a)temperature distribution;(b)heat flux distribution 较为准确的钢包热状态监测结果，但需要对钢包 究钢包热状态影响因素的部分代表性工作 进行一定的改造，增加了实验成本，且内嵌热电偶 由表1可知，近年来冶金学者对影响钢包热状 仅能获取钢包特定部位的温度，无法实现钢包整 态的内/外在因素进行了较为全面的研究，内在因 体热状态的监测.而应用数值模拟方法虽然能够 素和外在因素的研究分别为具有高保温效果包衬 监测到钢包各个位置的热状态，但该方法在建模 结构的设计和钢包运行的优化提供指导，这为钢 中通常对钢包/钢水的传热行为进行一定假设，影 包热状态的精准监测与控制奠定了基础.实际生 响计算结果的准确性，且数值模拟方法较长的求 产中钢包一直在高温状态下运行，满包运行阶段 解时间一直是制约其应用的主要因素，采用图形 需盛载少则几儿十吨多则300t的钢水，且包衬与钢 处理器(GPU)等高性能运算手段可显著提高运算 水直接接触，故包衬的热机械性能、耐热性、耐腐 效率，但对于复杂的三维传热模型，其求解时间仍 蚀性等也影响着钢包运行的稳定性-，对于具 较长.结合上述2种方法，仅在钢包包壁1/2处、 有特殊成分钢种的生产，需做到专包专用.因此， 1/4处及包底等关键位置嵌入热电偶或直接采用 对于钢包热状态的监测与控制，应兼顾其热机械 红外测温手段，一定程度上降低实验成本，并应用 性能、耐热性、耐腐蚀性等性能 实测值对数值模拟结果进行修正，这对于钢包热 1.2钢包选配与调度 状态的精准监测和钢水过程温度的窄窗口控制具 目前，国外鲜有钢包选配与调度方面的研究 有重要意义.当前，随着人工智能技术的发展，深 报道；国内学者基于冶金流程工程学理论与方法， 度（卷积）神经网络、极限学习机等机器学习方法 开展了相应的研究工作，取得了一定进展.而周转 因其建模的灵活性和求解的高效性而得到了广泛 钢包数量的确定作为钢包选配与调度前的一项重 的关注，并已逐渐应用于炼钢-连铸生产过程90 要工作，也得到了较多关注.因此，在论述钢包选 采用机器学习方法，如基于深度学习的图像识别 配和调度研究前，首先对周转钢包数量计算的相 技术叫，对得到的大量钢包热状态数值模拟数据 关研究进行介绍. 和实测数据，包括文本结构化数据、图像等非结构 1.2.1周转钢包数量计算 化数据进行建模，将为钢包热状态的实时精准监 计算周转钢包数量的前提是解析与钢包运行 测提供可能 相关的时间参数，包括转运周期、连铸机浇铸周期 1.1.2影响因素 等，基于此，刘青等7提出了周转钢包数量的基本 实现钢包热状态的精准监测，可靠的研究方 计算方法，即时间计算法、产量计算法和周期匹配 法是基础，钢包热状态影响因素的掌握是关键.影 法，后续相关研究大多在此基础上进行.面对多品 响钢包运行过程热状态的因素有很多，内在因素 种、小批量、多规格的订单要求，炼钢-连铸区段 包括包衬材料特性和包衬结构，外在因素包括包 产品结构的多样性是影响周转钢包数量的主要因 龄、空包时间、烘烤时间等.表1所示近20a来研 素，Wang等B通过对某特殊钢厂品种钢和普碳钢

较为准确的钢包热状态监测结果，但需要对钢包 进行一定的改造，增加了实验成本，且内嵌热电偶 仅能获取钢包特定部位的温度，无法实现钢包整 体热状态的监测. 而应用数值模拟方法虽然能够 监测到钢包各个位置的热状态，但该方法在建模 中通常对钢包/钢水的传热行为进行一定假设，影 响计算结果的准确性，且数值模拟方法较长的求 解时间一直是制约其应用的主要因素，采用图形 处理器（GPU）等高性能运算手段可显著提高运算 效率，但对于复杂的三维传热模型，其求解时间仍 较长. 结合上述 2 种方法，仅在钢包包壁 1/2 处、 1/4 处及包底等关键位置嵌入热电偶或直接采用 红外测温手段，一定程度上降低实验成本，并应用 实测值对数值模拟结果进行修正，这对于钢包热 状态的精准监测和钢水过程温度的窄窗口控制具 有重要意义. 当前，随着人工智能技术的发展，深 度（卷积）神经网络、极限学习机等机器学习方法 因其建模的灵活性和求解的高效性而得到了广泛 的关注，并已逐渐应用于炼钢–连铸生产过程[19−20] . 采用机器学习方法，如基于深度学习的图像识别 技术[21] ，对得到的大量钢包热状态数值模拟数据 和实测数据，包括文本结构化数据、图像等非结构 化数据进行建模，将为钢包热状态的实时精准监 测提供可能. 1.1.2    影响因素 实现钢包热状态的精准监测，可靠的研究方 法是基础，钢包热状态影响因素的掌握是关键. 影 响钢包运行过程热状态的因素有很多，内在因素 包括包衬材料特性和包衬结构，外在因素包括包 龄、空包时间、烘烤时间等. 表 1 所示近 20 a 来研 究钢包热状态影响因素的部分代表性工作. 由表 1 可知，近年来冶金学者对影响钢包热状 态的内/外在因素进行了较为全面的研究，内在因 素和外在因素的研究分别为具有高保温效果包衬 结构的设计和钢包运行的优化提供指导，这为钢 包热状态的精准监测与控制奠定了基础. 实际生 产中钢包一直在高温状态下运行，满包运行阶段 需盛载少则几十吨多则 300 t 的钢水，且包衬与钢 水直接接触，故包衬的热机械性能、耐热性、耐腐 蚀性等也影响着钢包运行的稳定性[34−36] ，对于具 有特殊成分钢种的生产，需做到专包专用. 因此， 对于钢包热状态的监测与控制，应兼顾其热机械 性能、耐热性、耐腐蚀性等性能. 1.2    钢包选配与调度 目前，国外鲜有钢包选配与调度方面的研究 报道；国内学者基于冶金流程工程学理论与方法， 开展了相应的研究工作，取得了一定进展. 而周转 钢包数量的确定作为钢包选配与调度前的一项重 要工作，也得到了较多关注. 因此，在论述钢包选 配和调度研究前，首先对周转钢包数量计算的相 关研究进行介绍. 1.2.1    周转钢包数量计算 计算周转钢包数量的前提是解析与钢包运行 相关的时间参数，包括转运周期、连铸机浇铸周期 等，基于此，刘青等[37] 提出了周转钢包数量的基本 计算方法，即时间计算法、产量计算法和周期匹配 法，后续相关研究大多在此基础上进行. 面对多品 种、小批量、多规格的订单要求，炼钢–连铸区段 产品结构的多样性是影响周转钢包数量的主要因 素，Wang 等[38] 通过对某特殊钢厂品种钢和普碳钢 Heat flux/(W·m−2) 8961.5 8132.8 7304.1 6475.5 5646.8 4818.1 3989.4 3160.8 2332.1 1503.4 674.7 0 0.75 1.50 Scale/m z y (b) x Temperature/K 634.3 606.6 578.8 551.1 523.4 495.7 467.9 440.2 412.5 384.7 357.0 0 0.75 Scale/m 1.50 z y (a) x 图 2    钢包包壳温度与热流量分布图[18] . （a）温度分布；（b）热流量分布 Fig.2    Distributions of temperature and heat flux on ladle shell[18] : (a) temperature distribution; (b) heat flux distribution 杨建平等： 炼钢–连铸区段 3 种典型工序界面技术研究进展 · 1545 ·

.1546 工程科学学报.第42卷，第12期 表1钢包热状态影响因素的研究 Table 1 Study on influence factors on thermal state of ladles No. Authors(Year) Influencing factors Methods(tools)/Model types Refs. Xia(2001) Initial temperature of ladle lining,heat dissipation rate of CFX software/Two dimensional 1 slag layer,and bottom blowing or not heat transfer model [22-23] 2 Volkova (2003) Lining thickness and working layer materials Two dimensional heat transfer model [24 Lining thickness,distance from cover to ladle edge, COMSOL software/Two dimensional 3 Bjom (2011) and preheating time heat transfer model 2的 Thickness of slag layer,tapping temperature,ladle life, Software of Gambit and Fluent/Two 4 Tripathi(2012) and initial temperature of ladle lining dimensional heat transfer model 26 Huang (2016) Repair time,preheating time,baking gas temperature, Two dimensional heat transfer model and cooling time 27] Phanomchoeng(2016) Thermal resistance for different materials and thermal Bounded Jacobian nonlinear observer/One resistance for the same material with different temperatures dimensional heat transfer model [28) 1 Gong(2016) Online/offline preheating time,cooling time,and erosion Ansys software with ParaMesh/Two degree of ladle lining dimensional heat transfer model 29 8 Wang(2017) Materials and structures of ladle lining Fluent software/Three dimensional heat transfer model 30 Fluent software/Three dimensional 9 Yuan(2018) Ladle preheating methods heat transfer model 31 10 Santos (2018) Working layer materials and insulation layer or not Abaqus software/Two dimensional heat transfer model [32] 11 Hou(2018) Thickness and thermal conductivity of ladle lining Abaqus software and Taguchi approaches/Two dimensional heat transfer model 33] 生产工艺的分析，建立了周转钢包个数与产品结 型的优化目标来进行求解，具体内容将在下文阐 构的量化关系模型，模型应用后，该厂周转钢包个 述.除了周转钢包数量，所需离线钢包数量的确定 数平均减少约2个.此外，炉次/浇次作业计划也影 对优化钢包管控也有着重要意义.目前，本课题组 响着周转钢包数量，而相邻浇次计划的重叠时间 正在深化相关研究工作，拟通过优化炼钢厂离线 决定着钢包互用程度，互用程度越高，所需周转钢 钢包的配置，提高钢包周转率，并逐步完善离线钢 包个数也就越少.Huang等B9研究了不同浇次计 包烘烤制度，以降低能源消耗 划重叠时间与周转钢包个数的关系，并应用甘特 1.2.2钢包选配 图方法计算出双浇次计划下的最少周转钢包个 所谓钢包选配，是指根据当前炉次治炼的钢 数，同时，给出了满足钢包互用的浇次计划重叠时 种类型和备选钢包类型、位置及其热状态等信息， 间，缩短重叠时间虽然有利于提高钢包互用程度， 选择最佳的钢包盛接该炉次钢水.配包不合理可 但在一定程度上降低了连铸机的作业率，对于生 能导致钢水浇铸温度偏离合理范围，恶化铸坯质 产任务较重的钢厂，需权衡彼此之间的利弊.以上 量，因而对于钢包选配的研究至关重要 研究主要考虑了满包运行阶段的生产因素对周转 钢包选配的前提是准确掌握备选钢包的位 钢包数量的影响，而空包运行阶段也存在诸多不 置、包龄、包衬温度与材质等信息，这就要求钢厂 确定因素，如空包时间、维修时间等，这些因素也 搭建钢包定位跟踪系统，常用的钢包定位跟踪方 会影响周转钢包数量.蔡峻等[ao-4应用Plant 法包括射频识别技术和激光测距技术四.除了准 Simulation软件建立了钢包周转仿真模型，研究了 确掌握钢包的实时信息，设计科学有效的建模与 包龄、热修时间、空包时间等因素对周转钢包数 求解方法也是钢包选配研究的重点.刘建1 和钢包周转率的影响，同时给出了提高钢包红包 将炼钢-连铸区段钢包选配的专家经验规则化， 出钢率的措施 同时归纳了钢包运行过程的约束条件，建立了钢 由于钢包的满包和空包运行效率均受到诸多 包选配模型，显著提高了目标钢厂的配包效率 因素的影响，周转钢包数量的计算应全面考虑流 刘炜与柴天佑将钢包包衬温度、包龄、包衬材 程中各因素的影响，特别对于转炉冶炼周期大于 质等辅助部件的使用次数设为约束，构建了钢包 连铸机浇铸周期的情况，钢包备包时间影响着钢 选配模型，并提出了基于规则优先级的启发式钢 包使用个数；同时，备包过程钢水温降对最大连浇 包选配方法：此外，以最小化转炉出钢温度、最大 炉数的制约也不容忽视.此外，因生产作业计划直 化钢包寿命和在线周转率为目标，建立脱磷转炉 接影响周转钢包数量，也可将其作为钢包调度模 的钢包选配模型，应用分类一致性方法归纳了钢

生产工艺的分析，建立了周转钢包个数与产品结 构的量化关系模型，模型应用后，该厂周转钢包个 数平均减少约 2 个. 此外，炉次/浇次作业计划也影 响着周转钢包数量，而相邻浇次计划的重叠时间 决定着钢包互用程度，互用程度越高，所需周转钢 包个数也就越少. Huang 等[39] 研究了不同浇次计 划重叠时间与周转钢包个数的关系，并应用甘特 图方法计算出双浇次计划下的最少周转钢包个 数，同时，给出了满足钢包互用的浇次计划重叠时 间，缩短重叠时间虽然有利于提高钢包互用程度， 但在一定程度上降低了连铸机的作业率，对于生 产任务较重的钢厂，需权衡彼此之间的利弊. 以上 研究主要考虑了满包运行阶段的生产因素对周转 钢包数量的影响，而空包运行阶段也存在诸多不 确定因素，如空包时间、维修时间等，这些因素也 会影响周转钢包数量 . 蔡峻等 [40−41] 应 用 Plant Simulation 软件建立了钢包周转仿真模型，研究了 包龄、热修时间、空包时间等因素对周转钢包数 和钢包周转率的影响，同时给出了提高钢包红包 出钢率的措施. 由于钢包的满包和空包运行效率均受到诸多 因素的影响，周转钢包数量的计算应全面考虑流 程中各因素的影响，特别对于转炉冶炼周期大于 连铸机浇铸周期的情况，钢包备包时间影响着钢 包使用个数；同时，备包过程钢水温降对最大连浇 炉数的制约也不容忽视. 此外，因生产作业计划直 接影响周转钢包数量，也可将其作为钢包调度模 型的优化目标来进行求解，具体内容将在下文阐 述. 除了周转钢包数量，所需离线钢包数量的确定 对优化钢包管控也有着重要意义. 目前，本课题组 正在深化相关研究工作，拟通过优化炼钢厂离线 钢包的配置，提高钢包周转率，并逐步完善离线钢 包烘烤制度，以降低能源消耗. 1.2.2    钢包选配 所谓钢包选配，是指根据当前炉次冶炼的钢 种类型和备选钢包类型、位置及其热状态等信息， 选择最佳的钢包盛接该炉次钢水. 配包不合理可 能导致钢水浇铸温度偏离合理范围，恶化铸坯质 量，因而对于钢包选配的研究至关重要. 钢包选配的前提是准确掌握备选钢包的位 置、包龄、包衬温度与材质等信息，这就要求钢厂 搭建钢包定位跟踪系统，常用的钢包定位跟踪方 法包括射频识别技术和激光测距技术[42] . 除了准 确掌握钢包的实时信息，设计科学有效的建模与 求解方法也是钢包选配研究的重点 . 刘 建 [43] 将炼钢–连铸区段钢包选配的专家经验规则化， 同时归纳了钢包运行过程的约束条件，建立了钢 包选配模型，显著提高了目标钢厂的配包效率. 刘炜与柴天佑[44] 将钢包包衬温度、包龄、包衬材 质等辅助部件的使用次数设为约束，构建了钢包 选配模型，并提出了基于规则优先级的启发式钢 包选配方法；此外，以最小化转炉出钢温度、最大 化钢包寿命和在线周转率为目标，建立脱磷转炉 的钢包选配模型，应用分类一致性方法归纳了钢 表 1 钢包热状态影响因素的研究 Table 1 Study on influence factors on thermal state of ladles No. Authors (Year) Influencing factors Methods (tools)/Model types Refs. 1 Xia (2001) Initial temperature of ladle lining, heat dissipation rate of slag layer, and bottom blowing or not CFX software/Two dimensional heat transfer model [22−23] 2 Volkova (2003) Lining thickness and working layer materials Two dimensional heat transfer model [24] 3 Björn (2011) Lining thickness, distance from cover to ladle edge, and preheating time COMSOL software/Two dimensional heat transfer model [25] 4 Tripathi (2012) Thickness of slag layer, tapping temperature, ladle life, and initial temperature of ladle lining Software of Gambit and Fluent/Two dimensional heat transfer model [26] 5 Huang (2016) Repair time, preheating time, baking gas temperature, and cooling time Two dimensional heat transfer model [27] 6 Phanomchoeng (2016) Thermal resistance for different materials and thermal resistance for the same material with different temperatures Bounded Jacobian nonlinear observer/One dimensional heat transfer model [28] 7 Gong (2016) Online/offline preheating time, cooling time, and erosion degree of ladle lining Ansys software with ParaMesh/Two dimensional heat transfer model [29] 8 Wang (2017) Materials and structures of ladle lining Fluent software/Three dimensional heat transfer model [30] 9 Yuan (2018) Ladle preheating methods Fluent software/Three dimensional heat transfer model [31] 10 Santos (2018) Working layer materials and insulation layer or not Abaqus software/Two dimensional heat transfer model [32] 11 Hou (2018) Thickness and thermal conductivity of ladle lining Abaqus software and Taguchi approaches/Two dimensional heat transfer model [33] · 1546 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

杨建平等：炼钢-连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 1547 包选配规则，通过规则推理的方法为各炉次选配 所得钢包调度结果进行仿真验证，同时，应用软件 钢包啊 内嵌的遗传算法对调度方案进行修正.以上研究 目前，宝钢、首钢京唐、河钢唐钢不锈钢公司 均是在生产作业计划已知的基础上进行的，钢包 等国内大中型钢铁企业均配置了钢包定位跟踪系 调度的灵活性受到一定限制.针对该问题，张媛5o 统，但通过现场或文献调研，多数钢厂因缺少行之 将钢包抽象为服务炉次的特定工序，将炉次计划 有效的钢包选配模型，钢包定位跟踪系统仅发挥 调度和钢包调度集成为一个问题，建立以生产计 了钢包运行状况的监测作用 划总完成时间、炉次工序间等待时间和设备待包 1.2.3钢包调度 时间最小化为目标的炼钢-连铸生产调度模型，采 所谓钢包调度，就是以最小化周转钢包数量 用改进的分散搜索算法求解模型，并与遗传算法 等为目标，以钢包包龄、维修操作、钢种类型等为 进行对比，验证了该算法的有效性 约束条件，为生产计划内的多个炉次同时选配 对比钢包选配与钢包调度的定义，不难看出 钢包，如图3所示.图中，ab/c表示空包运行阶段 传统意义上的钢包调度属于静态调度范畴，研究 根据钢包状态而采取的不同维修操作；L1(1)、 中通常将钢包在炼钢-连铸区段各工序的作业时 L1(2)L1(n1)表示分配给钢包L1的炉次集合 间以及工序间的运输时间作标准化处理：而钢包 通常，钢包调度是在生产作业计划已知的基础上 选配则需考虑钢包位置、热状态等实时信息，类似 进行的.类似炉次计划调度，钢包调度的求解方法 于动态调度的研究.面对炼钢厂复杂的生产作业 也包括启发式算法、基于生物进化的智能算法和 状况，要实现钢包运行的高效管控，需充分考虑钢 仿真方法等 包选配与钢包调度之间的关系，二者联合建模技 谭园园等6将钢包调度问题抽象为带有时间 术的研发应是今后钢包运行控制研究的重点.近 窗（满包运行阶段）的车辆路径问题，以最小化周 年来，5G通信技术和各种监测手段的发展为开发 转钢包数量为目标，钢种类型、钢包维修等因素作 集成钢包状态监测、选配和调度等功能的钢包运 为约束条件，构建钢包调度模型，应用分散搜索算 行管控系统提供了重要的技术支撑，其技术架构 法求解该模型，但该模型将满包运行阶段作为黑 如图4所示.以生产作业计划中各炉次的工艺要 箱处理，这对结果的准确性有一定影响.在其随后 求作为钢包选配与调度的约束条件，结合钢包定 的研究中7，考虑了满包运行阶段工序作业周期 位跟踪系统提供的钢包位置、钢包周转次数、钢 的影响，除最小化周转钢包个数，最大化工序作业 包类型等信息，进行钢包的选配与调度，优化钢包 稳定性（钢包在各工序的作业时间处在合理作业 周转：此外，根据钢包在满包和空包运行阶段运行 周期范围内)也作为钢包调度模型的优化目标，大 状况的监测，结合包衬材质、结构等信息，确定待 大提高了模型的可用性.郑忠课题组48-先后采 接钢水钢包的热状态，为转炉出钢温度的调控提 用动态网络图方法和统一建模语言(UML),构建 供指导.蔡峻等5刚在基于钢包热状态的钢水温度 以工序间钢包等待时间最小和周转钢包数最少为 补偿方面已开展了大量研究工作，并开发了相应 目标的钢包调度模型，采用Plant Simulation软件对 的软件系统 Cooling stage Filling stage L(1) L(2) L(m) a L2) h a L.(1) b L.2) L.n)■ Time/min 图3钢包调度示意图 Fig.3 Schematic of ladle scheduling

包选配规则，通过规则推理的方法为各炉次选配 钢包[45] . 目前，宝钢、首钢京唐、河钢唐钢不锈钢公司 等国内大中型钢铁企业均配置了钢包定位跟踪系 统，但通过现场或文献调研，多数钢厂因缺少行之 有效的钢包选配模型，钢包定位跟踪系统仅发挥 了钢包运行状况的监测作用. 1.2.3    钢包调度 (2)······ 所谓钢包调度，就是以最小化周转钢包数量 等为目标，以钢包包龄、维修操作、钢种类型等为 约束条件，为生产计划内的多个炉次同时选配 钢包，如图 3 所示. 图中，a/b/c 表示空包运行阶段 根据钢包状态而采取的不同维修操作 ； L1 (1)、 L1 L1 (n1 ) 表示分配给钢 包 L1 的炉次集合 . 通常，钢包调度是在生产作业计划已知的基础上 进行的. 类似炉次计划调度，钢包调度的求解方法 也包括启发式算法、基于生物进化的智能算法和 仿真方法等. 谭园园等[46] 将钢包调度问题抽象为带有时间 窗（满包运行阶段）的车辆路径问题，以最小化周 转钢包数量为目标，钢种类型、钢包维修等因素作 为约束条件，构建钢包调度模型，应用分散搜索算 法求解该模型，但该模型将满包运行阶段作为黑 箱处理，这对结果的准确性有一定影响. 在其随后 的研究中[47] ，考虑了满包运行阶段工序作业周期 的影响，除最小化周转钢包个数，最大化工序作业 稳定性（钢包在各工序的作业时间处在合理作业 周期范围内）也作为钢包调度模型的优化目标，大 大提高了模型的可用性. 郑忠课题组[48−49] 先后采 用动态网络图方法和统一建模语言（UML），构建 以工序间钢包等待时间最小和周转钢包数最少为 目标的钢包调度模型，采用 Plant Simulation 软件对 所得钢包调度结果进行仿真验证，同时，应用软件 内嵌的遗传算法对调度方案进行修正. 以上研究 均是在生产作业计划已知的基础上进行的，钢包 调度的灵活性受到一定限制. 针对该问题，张媛[50] 将钢包抽象为服务炉次的特定工序，将炉次计划 调度和钢包调度集成为一个问题，建立以生产计 划总完成时间、炉次工序间等待时间和设备待包 时间最小化为目标的炼钢–连铸生产调度模型，采 用改进的分散搜索算法求解模型，并与遗传算法 进行对比，验证了该算法的有效性. 对比钢包选配与钢包调度的定义，不难看出 传统意义上的钢包调度属于静态调度范畴，研究 中通常将钢包在炼钢–连铸区段各工序的作业时 间以及工序间的运输时间作标准化处理；而钢包 选配则需考虑钢包位置、热状态等实时信息，类似 于动态调度的研究. 面对炼钢厂复杂的生产作业 状况，要实现钢包运行的高效管控，需充分考虑钢 包选配与钢包调度之间的关系，二者联合建模技 术的研发应是今后钢包运行控制研究的重点. 近 年来，5G 通信技术和各种监测手段的发展为开发 集成钢包状态监测、选配和调度等功能的钢包运 行管控系统提供了重要的技术支撑，其技术架构 如图 4 所示. 以生产作业计划中各炉次的工艺要 求作为钢包选配与调度的约束条件，结合钢包定 位跟踪系统提供的钢包位置、钢包周转次数、钢 包类型等信息，进行钢包的选配与调度，优化钢包 周转；此外，根据钢包在满包和空包运行阶段运行 状况的监测，结合包衬材质、结构等信息，确定待 接钢水钢包的热状态，为转炉出钢温度的调控提 供指导. 蔡峻等[51] 在基于钢包热状态的钢水温度 补偿方面已开展了大量研究工作，并开发了相应 的软件系统. L1 … Ladle number (sets) Lm L1 (1) a Cooling stage Filling stage … … … … b Time/min c a b c a b c L1 (2) L1 (n1 ) L2 (n2 L ) 2 L (2) 2 (1) Lm(1) Lm(2) Lm(n3 ) L2 图 3    钢包调度示意图 Fig.3    Schematic of ladle scheduling 杨建平等： 炼钢–连铸区段 3 种典型工序界面技术研究进展 · 1547 ·

.1548 工程科学学报.第42卷，第12期 Production plan Ladle information Positioning and MES system tracking Ladle life,lining of ladles materials,location Heat plan cooling time, cast plan nozzle useage scheduling and so on Tapping Transfer Refining Time- temperature Matching and On-line control compensation of scheduling molten steel of ladles temperature Transfer Preheating Repairing Deslagging Transfer 图4钢包运行管控系统技术架构图 Fig.4 Technical framework of the control system for ladles cycling 2天车运行控制 的重要性，近年来，国内学者相继开展了炼钢-连 铸区段天车运行控制的研究，主要集中在天车调 上文详细介绍了炼钢-连铸区段物质流运行 的“盛载者”一钢包的运行控制研究进展，本章将 度方面，表2所示为天车调度的代表性研究工作. 对物质流运行的“执行者”一天车（俗称行车）的运 由表2可知，数学规划是天车调度问题建模的 行控制研究进展进行概述.天车横架于钢厂车间 常用方法，基于经验规则的启发式算法和以遗传 各个作业跨，执行满包在工序间的吊运和辅助空 算法为代表的种群进化算法是求解模型的主要方 包完成倒渣、维修等作业.因炼钢-连铸过程具有 法.对比两种求解方法，启发式算法能在较短时间 高温(1500~1700℃)、多约束、准连续的运行特 内获得可行性较高的天车调度方案，但方案质量 点，相比于一般离散制造车间或仓库、码头等，其 需作进一步评估，而遗传算法等其他种群进化算 天车运行控制更为复杂.所谓天车运行控制，是指 法，对于复杂天车调度问题求解具有高度的灵活 根据炼钢-连铸区段各类吊运任务的属性和同跨 性，但容易产生“早熟”问题，得到局部最优解，且 (异跨)天车间的位置关系，对各部天车的运行路 运算量较大.目前，在计算机强大运算能力基础 径进行有效调控.对于大量存在的无精炼跨钢厂， 上，多种算法联合求解已成为研究热点.天车作为 如图5所示为国内某中大型转炉钢厂的车间布 钢包吊运设备，而钢包又直接盛载各炉次钢水，因 置，因缺少精炼跨，在钢水接收跨内5部天车需承 此，天车调度问题的研究应充分考虑与钢包、炉次 担多种吊运任务，运行控制难度极大.目前，已公 计划的协同性.此外，对于新钢厂设计，不仅要考 开报道的文献中，国外鲜有对炼钢-连铸区段天车 虑车间内主体工序与设备的平面布置，也要从多 运行控制问题的研究，主要工作集中在中间坯库四 工序协同运行角度研究天车等运输设备的配置优 和成品库5天车调度问题的研究.国内刘青等5 化问题 较早地将物流学的装卸搬运理论用于研究钢厂的 3生产运行模式优化 天车运行，分析了炼钢-连铸区段天车运行的特点， 讨论了天车运行对工序作业时间和钢水温度调控 本章将重点阐述物质流运行的“驱动者”一生 Converter span Crane Tapping span Casting span 图5国内某钢厂车间布置和天车配置 Fig.5 Workshop layout and crane configuration in steelmaking plant

2    天车运行控制 上文详细介绍了炼钢–连铸区段物质流运行 的“盛载者”—钢包的运行控制研究进展，本章将 对物质流运行的“执行者”—天车（俗称行车）的运 行控制研究进展进行概述. 天车横架于钢厂车间 各个作业跨，执行满包在工序间的吊运和辅助空 包完成倒渣、维修等作业. 因炼钢–连铸过程具有 高温（1500～1700 ℃）、多约束、准连续的运行特 点，相比于一般离散制造车间或仓库、码头等，其 天车运行控制更为复杂. 所谓天车运行控制，是指 根据炼钢–连铸区段各类吊运任务的属性和同跨 （异跨）天车间的位置关系，对各部天车的运行路 径进行有效调控. 对于大量存在的无精炼跨钢厂， 如图 5 所示为国内某中大型转炉钢厂的车间布 置，因缺少精炼跨，在钢水接收跨内 5 部天车需承 担多种吊运任务，运行控制难度极大. 目前，已公 开报道的文献中，国外鲜有对炼钢–连铸区段天车 运行控制问题的研究，主要工作集中在中间坯库[52] 和成品库[53] 天车调度问题的研究. 国内刘青等[54] 较早地将物流学的装卸搬运理论用于研究钢厂的 天车运行，分析了炼钢–连铸区段天车运行的特点， 讨论了天车运行对工序作业时间和钢水温度调控 的重要性. 近年来，国内学者相继开展了炼钢–连 铸区段天车运行控制的研究，主要集中在天车调 度方面，表 2 所示为天车调度的代表性研究工作. 由表 2 可知，数学规划是天车调度问题建模的 常用方法，基于经验规则的启发式算法和以遗传 算法为代表的种群进化算法是求解模型的主要方 法. 对比两种求解方法，启发式算法能在较短时间 内获得可行性较高的天车调度方案，但方案质量 需作进一步评估，而遗传算法等其他种群进化算 法，对于复杂天车调度问题求解具有高度的灵活 性，但容易产生“早熟”问题，得到局部最优解，且 运算量较大. 目前，在计算机强大运算能力基础 上，多种算法联合求解已成为研究热点. 天车作为 钢包吊运设备，而钢包又直接盛载各炉次钢水，因 此，天车调度问题的研究应充分考虑与钢包、炉次 计划的协同性. 此外，对于新钢厂设计，不仅要考 虑车间内主体工序与设备的平面布置，也要从多 工序协同运行角度研究天车等运输设备的配置优 化问题. 3    生产运行模式优化 本章将重点阐述物质流运行的“驱动者”—生 Converter Ladle refining Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Ladle Caster Transfer Casting Transfer Transfer Transfer Tapping Refining Preheating Repairing Deslagging Positioning and tracking of ladles Ladle information Ladle life, lining materials, location, cooling time, nozzle useage and so on On-line compensation of molten steel temperature Production plan MES system Heat plan cast plan scheduling Matching and scheduling of ladles Time￾temperature control 图 4    钢包运行管控系统技术架构图 Fig.4    Technical framework of the control system for ladles cycling Converter span Crane Tapping span Casting span 图 5    国内某钢厂车间布置和天车配置 Fig.5    Workshop layout and crane configuration in steelmaking plant · 1548 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期

杨建平等：炼钢-连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 .1549 表2近年来关于天车调度的代表性研究工作 Table 2 Study on crane scheduling in recent years No.Authors(Year) Modeling methods Solving methods Characteristics Refs. Xu(2007) Cellular automata Heuristic and genetic algorithms Verify the feasibility of results through cellular automata [5 Improve the reliability of results by frequent Ma(2010) Multi-agent Heuristic algorithm interaction among different agents and [56 parallel computing strategy Liu(2011) Mathematical programming Heuristic algorithm Coordinated scheduling between ladles and cranes [57刀 Sun(2011) Mixed-timed Petri Net Branch-and-cutmethod Transform crane scheduling problem into the linear model [58] Variable neighborhood search 5 Xie(2012) Mathematical programming Optimize algorithm parameters by [59 algorithm artificial neural network Solve the static and dynamic crane scheduling 6 Yu(2012) Mathematical programming Genetic and heuristic algorithms models respectively by genetic [60] and heuristic algorithms 7 Zhu(2013) Petri Net with UML Heuristic algorithm Make up the deficiency of UML on formal expression by Petri Net [61] Zheng (2013) Mathematical programming Prominent local search ability of the algorithm Immune genetic algorithm and strong global diversity of solutions [62] 9 Wang(2014) Mathematical programming Improved Memetic algorithm Design decoding operator based on task [63] allocation and conflicts eliminating rules Design encoding operator based on matrix 10 Jiang (2016) Mathematical programming Improved genetic algorithm form,and solve task priority and crane [64 selection in parallel 11 Minimize the total transfer times of tasks and Ga0(2017) Mathematical programming Improved genetic algorithm balance the task allocations among cranes [6] 12 Li(2019) Mathematical programming Heuristic algorithm Apply the predictive reactive rescheduling strategy [66 Apply analytical hierarchy process(AHP) 13 Pang(2019) Mathematical programming Heuristic algorithm fuzzy comprehensive evaluation to [67 analyze crane scheduling 14 Yang(2019) Plant simulation Heuristic algorithm Coordinated scheduling among ladles. cranes,and heat plans [68] 产运行模式优化的研究进展.所谓生产运行模式 Direction for Direction for optimizing plant designing plant 优化，是指基于车间布置与设备、原（辅）料等资源 operation operation 约束，为完成一定产品结构与钢产量的生产任务， Workshop layou Workshop layout 所确立的单个工序/设备的作业制度及其与其它工 个 0 序/设备之间的对应-衔接关系，其主要用于解决工 Operation mode Operation mode 序装置的数量（能力）以及对应匹配的设计等问 题，是实现物质流在不同工序之间高效衔接的基 个 ↓ Production Production 础，因此，生产运行模式优化也是一种重要的工序 organization organization 界面技术.刘青等60较早进行了炼钢-连铸区段 个 生产运行模式优化的研究，提出了炼钢厂系统运 Process running Process running 行原则6，即“炉机对应”、“能耗最小”、“拉速决 国6生产模式在钢厂系统中的地位及其逻辑关系网 定流量”和“连浇”原则，并给出了具体的调控策 Fig.6 Status of operation mode in steelmaking plant system 略：同时，描述了生产模式（属于生产运行模式范 畴)在钢厂系统运行过程中的地位及其逻辑关系， 炉、机之间“一一对应”的匹配关系.针对此情况 如图6所示，并阐述了生产模式优化对于车间平 刘青等提出了“定炉对定机”的生产运行模式 面布置、工序缓冲和工序运行3方面的意义网 目前，国内多数钢厂普遍存在工序产能、作业周期 “层流”是炼钢-连铸区段的理想生产运行模 不匹配的问题，因而，生产运行模式优化的研究主 式-3，川，如图7所示，该模式下，转炉、精炼炉与连 要集中在以“定炉对定机”为目标的炉-机对应模 铸机之间存在“一一对应”的匹配关系.然而，由于 式优化方面，考虑的影响因素包括产能、产品结 实际生产中钢种类型与连铸坯断面规格的多样 构、工序作业周期等 性，导致工序产能、作业周期的不匹配，无法实现 对于产能因素，通常以各工序产能匹配为切

产运行模式优化的研究进展. 所谓生产运行模式 优化，是指基于车间布置与设备、原（辅）料等资源 约束，为完成一定产品结构与钢产量的生产任务， 所确立的单个工序/设备的作业制度及其与其它工 序/设备之间的对应–衔接关系，其主要用于解决工 序/装置的数量（能力）以及对应匹配的设计等问 题，是实现物质流在不同工序之间高效衔接的基 础，因此，生产运行模式优化也是一种重要的工序 界面技术. 刘青等[69−70] 较早进行了炼钢–连铸区段 生产运行模式优化的研究，提出了炼钢厂系统运 行原则[69] ，即“炉机对应”、“能耗最小”、“拉速决 定流量”和“连浇”原则，并给出了具体的调控策 略；同时，描述了生产模式（属于生产运行模式范 畴）在钢厂系统运行过程中的地位及其逻辑关系， 如图 6 所示，并阐述了生产模式优化对于车间平 面布置、工序缓冲和工序运行 3 方面的意义[70] . “层流”是炼钢–连铸区段的理想生产运行模 式[2−3, 71] ，如图 7 所示，该模式下，转炉、精炼炉与连 铸机之间存在“一一对应”的匹配关系. 然而，由于 实际生产中钢种类型与连铸坯断面规格的多样 性，导致工序产能、作业周期的不匹配，无法实现 炉、机之间“一一对应”的匹配关系. 针对此情况， 刘青等[69] 提出了“定炉对定机”的生产运行模式. 目前，国内多数钢厂普遍存在工序产能、作业周期 不匹配的问题，因而，生产运行模式优化的研究主 要集中在以“定炉对定机”为目标的炉–机对应模 式优化方面，考虑的影响因素包括产能、产品结 构、工序作业周期等. 对于产能因素，通常以各工序产能匹配为切 表 2 近年来关于天车调度的代表性研究工作 Table 2 Study on crane scheduling in recent years No. Authors (Year) Modeling methods Solving methods Characteristics Refs. 1 Xu (2007) Cellular automata Heuristic and genetic algorithms Verify the feasibility of results through cellular automata [55] 2 Ma (2010) Multi-agent Heuristic algorithm Improve the reliability of results by frequent interaction among different agents and parallel computing strategy [56] 3 Liu (2011) Mathematical programming Heuristic algorithm Coordinated scheduling between ladles and cranes [57] 4 Sun (2011) Mixed-timed Petri Net Branch-and-cutmethod Transform crane scheduling problem into the linear model [58] 5 Xie (2012) Mathematical programming Variable neighborhood search algorithm Optimize algorithm parameters by artificial neural network [59] 6 Yu (2012) Mathematical programming Genetic and heuristic algorithms Solve the static and dynamic crane scheduling models respectively by genetic and heuristic algorithms [60] 7 Zhu (2013) Petri Net with UML Heuristic algorithm Make up the deficiency of UML on formal expression by Petri Net [61] 8 Zheng (2013) Mathematical programming Immune genetic algorithm Prominent local search ability of the algorithm and strong global diversity of solutions [62] 9 Wang (2014) Mathematical programming Improved Memetic algorithm Design decoding operator based on task allocation and conflicts eliminating rules [63] 10 Jiang (2016) Mathematical programming Improved genetic algorithm Design encoding operator based on matrix form, and solve task priority and crane selection in parallel [64] 11 Gao (2017) Mathematical programming Improved genetic algorithm Minimize the total transfer times of tasks and balance the task allocations among cranes [65] 12 Li (2019) Mathematical programming Heuristic algorithm Apply the predictive reactive rescheduling strategy [66] 13 Pang (2019) Mathematical programming Heuristic algorithm Apply analytical hierarchy process (AHP) fuzzy comprehensive evaluation to analyze crane scheduling [67] 14 Yang (2019) Plant simulation Heuristic algorithm Coordinated scheduling among ladles, cranes, and heat plans [68] Workshop layout Workshop layout Operation mode Operation mode Process running Process running Direction for optimizing plant operation Direction for designing plant operation Production organization Production organization 图 6    生产模式在钢厂系统中的地位及其逻辑关系[70] Fig.6    Status of operation mode in steelmaking plant system[70] 杨建平等： 炼钢–连铸区段 3 种典型工序界面技术研究进展 · 1549 ·

·1550 工程科学学报.第42卷，第12期 "Laminar flow” operation mode No.1 BOF No.1 LF No.I CCM No.2 LF No.2 CCM 冠几风几 LBL- Hot metal Rolling No.3 BOF No.3 LF No.3 CCM No.4 LF No.4 CCM Other refining processes 图7“层流”运行模式 Fig7“Laminar flow”operation mode 人点，刘青等四通过对国内某长材型钢厂工序产 总量的比值，m和n分别为炼钢炉座数和连铸机台 能的解析，指出连铸工序为该厂产能提高的瓶颈 数.图8所示模型应用后，该厂的炉-机对应关系 工序，并提出增加连铸机流数的产能匹配方案，实 更加明确，炉→机匹配度和机→炉匹配度较之前 现了转炉、LF精炼炉和连铸机“一一对应”的匹配 分别提高了62.9%和69.4%.Gu等7通过对唐钢 关系.宝钢为实现专线化生产，董金刚基于转 某厂不同钢种和断面规格连铸坯生产工艺的分 炉、连铸工序生产能力的比较，指出对于以产定销 析，设计了基于产品结构优化的生产运行模式，实 和按订单组织生产的钢厂，应分别以连铸和转炉 现了工序间交叉供应钢水的有序化，并将该类模 为中心来设计生产运行模式，目前该理念已用于 式定义为“准层流”运行模式.工序之间作业周期 指导宝钢集团多个钢厂生产.当前多数钢厂的生 是否匹配直接影响着炉、机之间的对应关系，余相 产订单均呈现多品种、多规格的特点，故产品结构 灼等圆针对国内某钢厂炉、机作业周期不匹配的 因素的研究对于钢厂生产组织具有重要现实意 问题，结合甘特图与仿真实验，在保证完成日产量 义.穆衍清等阿以国内某长材型特殊钢厂为研究 的基础上，设计了4炉对3机等主要生产运行模式 对象，通过对不同钢种工艺路径的解析，构建了炉- 下的最优连浇方案，实现了物质流的“准层流”运 机对应模式与产品结构的定量化关系模型，并提 行.对于上述生产运行模式优化的研究，无论考虑 出了炼钢厂炼钢炉与连铸机之间对应唯一性的量 何种影响因素，最终均以时间这一描述物质流运 化评价指标，即炉→机匹配度和机→炉匹配度，计 行的基本参数为切入点，因此，在相关研究中对于 算方法如式(1)和式(2)所示： 各类时间参数的解析尤为重要 因生产运行模式影响因素的复杂性，多因素 的影响研究更为重要.芦永明等-以工序产 RF-C_ ×100 (1) 1、 能、作业周期的匹配为优化目标，构建了棒线材和 板带型钢厂炉-机匹配的数学模型，并采用改进后 的分层序列法求解模型，应用该模型验证了首钢 京唐炼钢车间设计的合理性.陈若冰与齐欢阿以 ×100 (2) 1-1 国内某钢厂为例，通过对炼钢-连铸区段各工序产 能与作业周期的分析，确定了实现炉-机匹配各工 式中，RC(RSF)表示炉→机匹配度（机→炉匹配 序工艺参数的取值范围，并通过仿真实验计算了 度)，和c分别i号炼钢炉向j号连铸机提供的钢 各工序最佳作业周期和年产量.Liu等8o从转炉 水量占该炼钢炉冶炼总量的比值和该连铸机浇注 工序与LF精炼工序产能和生产节奏匹配的角度

入点，刘青等[72] 通过对国内某长材型钢厂工序产 能的解析，指出连铸工序为该厂产能提高的瓶颈 工序，并提出增加连铸机流数的产能匹配方案，实 现了转炉、LF 精炼炉和连铸机“一一对应”的匹配 关系. 宝钢为实现专线化生产[73] ，董金刚[74] 基于转 炉、连铸工序生产能力的比较，指出对于以产定销 和按订单组织生产的钢厂，应分别以连铸和转炉 为中心来设计生产运行模式，目前该理念已用于 指导宝钢集团多个钢厂生产. 当前多数钢厂的生 产订单均呈现多品种、多规格的特点，故产品结构 因素的研究对于钢厂生产组织具有重要现实意 义. 穆衍清等[75] 以国内某长材型特殊钢厂为研究 对象，通过对不同钢种工艺路径的解析，构建了炉– 机对应模式与产品结构的定量化关系模型，并提 出了炼钢厂炼钢炉与连铸机之间对应唯一性的量 化评价指标，即炉→机匹配度和机→炉匹配度，计 算方法如式（1）和式（2）所示： R F→C i = ∑n j=1 ( fi j − 1 n )2 1− 1 n ×100 （1） R C→F j = ∑m i=1 ( ci j − 1 m )2 1− 1 m ×100 （2） R F→C i R C→F j fi j ci j 式中， ( ) 表示炉→机匹配度（机→炉匹配 度）， 和 分别 i 号炼钢炉向 j 号连铸机提供的钢 水量占该炼钢炉冶炼总量的比值和该连铸机浇注 总量的比值，m 和 n 分别为炼钢炉座数和连铸机台 数. 图 8 所示模型应用后，该厂的炉–机对应关系 更加明确，炉→机匹配度和机→炉匹配度较之前 分别提高了 62.9% 和 69.4%. Gu 等[76] 通过对唐钢 某厂不同钢种和断面规格连铸坯生产工艺的分 析，设计了基于产品结构优化的生产运行模式，实 现了工序间交叉供应钢水的有序化，并将该类模 式定义为“准层流”运行模式. 工序之间作业周期 是否匹配直接影响着炉、机之间的对应关系，余相 灼等[8] 针对国内某钢厂炉、机作业周期不匹配的 问题，结合甘特图与仿真实验，在保证完成日产量 的基础上，设计了 4 炉对 3 机等主要生产运行模式 下的最优连浇方案，实现了物质流的“准层流”运 行. 对于上述生产运行模式优化的研究，无论考虑 何种影响因素，最终均以时间这一描述物质流运 行的基本参数为切入点，因此，在相关研究中对于 各类时间参数的解析尤为重要. 因生产运行模式影响因素的复杂性，多因素 的影响研究更为重要. 芦永明等[77−78] 以工序产 能、作业周期的匹配为优化目标，构建了棒线材和 板带型钢厂炉–机匹配的数学模型，并采用改进后 的分层序列法求解模型，应用该模型验证了首钢 京唐炼钢车间设计的合理性. 陈若冰与齐欢[79] 以 国内某钢厂为例，通过对炼钢–连铸区段各工序产 能与作业周期的分析，确定了实现炉–机匹配各工 序工艺参数的取值范围，并通过仿真实验计算了 各工序最佳作业周期和年产量. Liu 等[80] 从转炉 工序与 LF 精炼工序产能和生产节奏匹配的角度， Hot metal Rolling No.1 BOF No.1 LF No.2 BOF No.2 LF No.3 BOF No.3 LF No.4 BOF No.4 LF No.1 CCM No.2 CCM No.3 CCM No.4 CCM Other refining processes “Laminar flow” operation mode 图 7    “层流”运行模式 Fig.7    “Laminar flow” operation mode · 1550 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期