D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.08.013 第35卷第8期 北京科技大学学报 Vol.35 No.8 2013年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2013 炼钢厂钢包周转率的影响因素 蔡峻1,2)，汪红兵)凶，贺东风1,2)，徐安军1,2)，黄帮福4，田乃媛1,2) 1)北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 3)北京科技大学计算机与通信工程学院，北京1000834)昆明理工大学治金与能源工程学院，昆明650093 冈通信作者，E-mai让：wanghongbinge0816@163.com 摘要针对某炼钢厂生产流程建立钢包周转过程仿真模型，对影响钢包周转率的热修时间、生产钢种和修包包龄等 因素进行仿真研究.仿真结果表明：热修时间增加，钢包周转率下降，当日产45炉典型钢种，热修时间在0~20mi范 围内钢包周转率为6.43，而当热修时间为50~60mi血时钢包周转率为5.0：生产不同钢种的钢包周转率差别较大，日产 41~50炉的SPHC钢种时，钢包周转率最大值为6.28，最小值为5.63，而生产同样炉数的X70钢种时钢包周转率最大 值为5.0，最小值为4.55：修包包龄增加，钢包周转率提高，日产48炉典型钢种，修包包龄为40次时钢包周转率为4.0， 修包包龄为45次钢包周转率达极限值6.86. 关键词钢铁厂：炼钢：生产控制：钢包：计算机仿真 分类号TF758;TF345 Affecting factors of the turnover rate of steel ladle in steelmaking plants CAI Jun 1.2),WANG Hong-bing 3),HE Dong-feng 12),XU An-jun 12),HUANG Bang-fu )TIAN Nai- yuan 1,2) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)School of Computer and Communication Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 4)Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China Corresponding author,E-mail:wanghongbing0816@163.com ABSTRACT Aimed at the production flow of a steelmaking plant,a simulation model of steel ladle turnover process was constructed to analyze the affecting factors on the turnover rate of steel ladles,such as hot repair time,steel grade and repair age of steel ladles.Simulation results show that the turnover rate decreases with increasing hot repair time. When the daily productivity of typical steel is 45 heats,the turnover rate is 6.43 with the hot repair time of 0 to 20 min, but it is 5.0 with the hot repair time of 50 to 60 min.The turnover rates for different kinds of steel grades are different. When the daily productivity is from 41 to 50 heats,the maximum and the minimum turnover rate for producing SPHC steel are 6.28 and 5.63,respectively;however,the maximum and the minimum turnover rate for producing X70 steel are 5.00 and 4.55,respectively.The turnover rate increases with increasing repair age.When the daily productivity of typical steel is 48 heats,the turnover rate is 4.0 with the repair age of 40,and it reaches the maximum of 6.86 at the repair age of 45. KEY WORDS iron and steel plants;steelmaking;production control;ladles;computer simulation 收稿日期：2012-09-11 基金项目：中央高校基本科研业务费专项(FRF-TP-12-086A)
第 35 卷 第 8 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 8 2013 年 8 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug. 2013 炼钢厂钢包周转率的影响因素 蔡 峻1,2)，汪红兵3) ，贺东风1,2)，徐安军1,2)，黄帮福4)，田乃媛1,2) 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) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083 4) 昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093 通信作者，E-mail: wanghongbing0816@163.com 摘 要 针对某炼钢厂生产流程建立钢包周转过程仿真模型，对影响钢包周转率的热修时间、生产钢种和修包包龄等 因素进行仿真研究. 仿真结果表明：热修时间增加，钢包周转率下降，当日产 45 炉典型钢种，热修时间在 0∼20 min 范 围内钢包周转率为 6.43，而当热修时间为 50∼60 min 时钢包周转率为 5.0；生产不同钢种的钢包周转率差别较大，日产 41∼50 炉的 SPHC 钢种时，钢包周转率最大值为 6.28，最小值为 5.63，而生产同样炉数的 X70 钢种时钢包周转率最大 值为 5.0，最小值为 4.55；修包包龄增加，钢包周转率提高，日产 48 炉典型钢种，修包包龄为 40 次时钢包周转率为 4.0， 修包包龄为 45 次钢包周转率达极限值 6.86. 关键词 钢铁厂；炼钢；生产控制；钢包；计算机仿真 分类号 TF758; TF345 Affecting factors of the turnover rate of steel ladle in steelmaking plants CAI Jun 1,2), WANG Hong-bing 3) , HE Dong-feng 1,2), XU An-jun 1,2), HUANG Bang-fu 4), TIAN Naiyuan 1,2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 4) Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China Corresponding author, E-mail: wanghongbing0816@163.com ABSTRACT Aimed at the production flow of a steelmaking plant, a simulation model of steel ladle turnover process was constructed to analyze the affecting factors on the turnover rate of steel ladles, such as hot repair time, steel grade and repair age of steel ladles. Simulation results show that the turnover rate decreases with increasing hot repair time. When the daily productivity of typical steel is 45 heats, the turnover rate is 6.43 with the hot repair time of 0 to 20 min, but it is 5.0 with the hot repair time of 50 to 60 min. The turnover rates for different kinds of steel grades are different. When the daily productivity is from 41 to 50 heats, the maximum and the minimum turnover rate for producing SPHC steel are 6.28 and 5.63, respectively; however, the maximum and the minimum turnover rate for producing X70 steel are 5.00 and 4.55, respectively. The turnover rate increases with increasing repair age. When the daily productivity of typical steel is 48 heats, the turnover rate is 4.0 with the repair age of 40, and it reaches the maximum of 6.86 at the repair age of 45. KEY WORDS iron and steel plants; steelmaking; production control; ladles; computer simulation 收稿日期：2012–09–11 基金项目：中央高校基本科研业务费专项 (FRF-TP-12-086A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.08.013
第8期 蔡峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1073· 钢包在炼钢生产过程中，承担着装载和运输钢 数.可知一定时间内，连铸机浇注炉数越多或是钢 水的重要任务，与钢水温度的稳定控制、炼钢厂内 包周转个数越少，则钢包周转率越高.但是，这样 工序生产节奏和物流调控有着密切的关系.作为钢 计算的钢包周转率仅针对一台铸机，评价指标具有 包管理控制水平的重要评价指标，有效提高钢包周 片面性，很难反映出一定时间内全厂总体的钢包周 转率对减少钢包周转数量，优化钢包热状态，降低 转控制水平，只有针对全厂钢包控制水平的评价指 转炉出钢温度以及保持连铸机恒拉速浇注都有重要 标才有实际意义 意义四.因此，在保证生产连续有序运行前提下，尽 洪军等时在钢包周转过程中时间和温度的分析 量提高钢包周转率历来是炼钢厂努力实现的目标. 基础上，对钢包周转时间和投运控制进行优化，建 钢包周转率作为一项钢包管理控制的综合指 立钢包周转动态管理模式，提出衡量钢包使用个数 标，可以定义为：在一定时间内（通常为24h),炼钢 的指标一钢包周转率，但未能就生产钢种和修 厂生产炉数与全部参与生产的钢包周转数量之比， 包包龄等因素对钢包周转率的影响进行定量研究. 其表达式为 a=M Keshari等6提出钢包分类管理对钢包周转数 ，a≥0. 量进行优化，实现了通过钢包有效管理对连铸过程 式中，a为钢包周转率，M为生产炉数，n为参与 中钢水过热度的控制：但研究仅指出了一些限制钢 周转的钢包数量.当产量一定时，一段时间内参与 包周转数量的因素，如修包包龄，对钢包周转数量 生产的钢包周转数量越少，则钢包周转率越高，表 优化过程缺少必要的实验数据分析和论证. 明钢包管理控制水平越高 为研究生产作业计划与钢包周转数量的关系， 已有研究中，刘青等2-对钢包运行时间参数 张涛忉采用EM-Plant仿真软件，建立钢包周转逆 和过程钢水温降进行了研究，提出通过优化钢包周 流仿真模型，但建模未考虑实际钢包周转过程中的 转柔性时间，来提高钢包运行效率，并提出评价钢 时间波动，而且由于模型缺少对空包周转的控制， 包运行水平的重要指标 —钢包运行频率 与实际钢包周转调度不符.此外，研究只得出了生 =n 产作业计划与钢包周转数量的关系，对影响钢包周 烟 转的其他因素考虑不够全面. 式中：i为钢包运行频率，h-l:ne为8h内的 已有研究主要针对钢包周转运行时间、温降规 钢包使用个数：e为钢包运行周期，h.由上式可 律]和生产作业计划与钢包周转数量的关系，均未 知，在钢包使用个数一定时，钢包周转时间越短， 针对钢包周转率，特别是钢包周转率的影响因素进 则钢包运行频率越高.钢包周转时间因钢种的不同 行系统研究.本文在已有研究基础上，归纳出影响 有很大差别，如普通管线钢一般为170175min, 钢包周转率的典型因素，包括热修时间、生产钢种 而某种经炉外精炼双联法低磷钢的钢包周转时间可 和修包包龄等.采用EM-Plant流程仿真方法9-1， 达230235min,进而计算出的钢包运行频率差别 针对炼钢厂实际生产流程，建立钢包周转过程仿真 较大.由于缺少钢种差异对钢包周转时间影响的认 模型.建模考虑了钢包周转过程中工序处理时间和 识，钢包运行频率很难反映出实际钢包运行的控制 工位间运输时间的波动，结合实际钢包周转控制约 水平.同时，指标也未考虑产量对钢包运行频率的 束，通过输入实际生产计划，对特定条件下影响钢 重要影响 包周转率的热修时间、生产钢种和修包包龄等因素 黄帮福等对转炉炼钢厂的钢包周转过程进行 进行研究. 了研究解析，提出通过钢包状态实时监控和钢包运 1炼钢厂钢包周转解析 行过程柔性时间优化，可以有效提高钢包周转率. 同时将钢包周转率作为评价钢包控制的一项重要 1.1炼钢厂平面布置 指标， 本文研究的炼钢厂目前有2座210t转炉 T fi=Ni (BOF),2座CAS炉，1座双工位LF炉，2座双 工位RH炉，2台双流板坯连铸机(CC),2个在线 式中：为第i个连铸机的钢包周转率； 工为连铸 烘烤位，6个离线烘烤和3个热修工位，构成典型 T 机浇注炉数：T为连铸机浇注时间，m,T为第i的炼钢一精炼一连铸相结合的转炉炼钢生产模 个连铸机的钢包周转周期，min:N:为钢包周转个 式.炼钢厂平面布置如图1所示
第 8 期 蔡 峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1073 ·· 钢包在炼钢生产过程中，承担着装载和运输钢 水的重要任务，与钢水温度的稳定控制、炼钢厂内 工序生产节奏和物流调控有着密切的关系. 作为钢 包管理控制水平的重要评价指标，有效提高钢包周 转率对减少钢包周转数量，优化钢包热状态，降低 转炉出钢温度以及保持连铸机恒拉速浇注都有重要 意义[1] . 因此，在保证生产连续有序运行前提下，尽 量提高钢包周转率历来是炼钢厂努力实现的目标. 钢包周转率作为一项钢包管理控制的综合指 标，可以定义为：在一定时间内 (通常为 24 h)，炼钢 厂生产炉数与全部参与生产的钢包周转数量之比， 其表达式为 α = M n , α > 0. 式中，α 为钢包周转率，M 为生产炉数，n 为参与 周转的钢包数量. 当产量一定时，一段时间内参与 生产的钢包周转数量越少，则钢包周转率越高，表 明钢包管理控制水平越高. 已有研究中，刘青等[2−3] 对钢包运行时间参数 和过程钢水温降进行了研究，提出通过优化钢包周 转柔性时间，来提高钢包运行效率，并提出评价钢 包运行水平的重要指标 —— 钢包运行频率 fl = n re L τ re l . 式中：fl 为钢包运行频率，h −1；n re L 为 8 h 内的 钢包使用个数；τ re l 为钢包运行周期，h. 由上式可 知，在钢包使用个数一定时，钢包周转时间越短， 则钢包运行频率越高. 钢包周转时间因钢种的不同 有很大差别，如普通管线钢一般为 170∼175 min， 而某种经炉外精炼双联法低磷钢的钢包周转时间可 达 230∼235 min，进而计算出的钢包运行频率差别 较大. 由于缺少钢种差异对钢包周转时间影响的认 识，钢包运行频率很难反映出实际钢包运行的控制 水平. 同时，指标也未考虑产量对钢包运行频率的 重要影响. 黄帮福等[4] 对转炉炼钢厂的钢包周转过程进行 了研究解析，提出通过钢包状态实时监控和钢包运 行过程柔性时间优化，可以有效提高钢包周转率. 同时将钢包周转率作为评价钢包控制的一项重要 指标， fi = T Niτi . 式中：fi 为第 i 个连铸机的钢包周转率； T τi 为连铸 机浇注炉数；T 为连铸机浇注时间，min，τi 为第 i 个连铸机的钢包周转周期，min；Ni 为钢包周转个 数. 可知一定时间内，连铸机浇注炉数越多或是钢 包周转个数越少，则钢包周转率越高. 但是，这样 计算的钢包周转率仅针对一台铸机，评价指标具有 片面性，很难反映出一定时间内全厂总体的钢包周 转控制水平，只有针对全厂钢包控制水平的评价指 标才有实际意义. 洪军等[5] 在钢包周转过程中时间和温度的分析 基础上，对钢包周转时间和投运控制进行优化，建 立钢包周转动态管理模式，提出衡量钢包使用个数 的指标 —— 钢包周转率，但未能就生产钢种和修 包包龄等因素对钢包周转率的影响进行定量研究. Keshari 等[6] 提出钢包分类管理对钢包周转数 量进行优化，实现了通过钢包有效管理对连铸过程 中钢水过热度的控制；但研究仅指出了一些限制钢 包周转数量的因素，如修包包龄，对钢包周转数量 优化过程缺少必要的实验数据分析和论证. 为研究生产作业计划与钢包周转数量的关系， 张涛[7] 采用 EM-Plant 仿真软件，建立钢包周转逆 流仿真模型，但建模未考虑实际钢包周转过程中的 时间波动，而且由于模型缺少对空包周转的控制， 与实际钢包周转调度不符. 此外，研究只得出了生 产作业计划与钢包周转数量的关系，对影响钢包周 转的其他因素考虑不够全面. 已有研究主要针对钢包周转运行时间、温降规 律[8] 和生产作业计划与钢包周转数量的关系，均未 针对钢包周转率，特别是钢包周转率的影响因素进 行系统研究. 本文在已有研究基础上，归纳出影响 钢包周转率的典型因素，包括热修时间、生产钢种 和修包包龄等. 采用 EM-Plant 流程仿真方法[9−11]， 针对炼钢厂实际生产流程，建立钢包周转过程仿真 模型. 建模考虑了钢包周转过程中工序处理时间和 工位间运输时间的波动，结合实际钢包周转控制约 束，通过输入实际生产计划，对特定条件下影响钢 包周转率的热修时间、生产钢种和修包包龄等因素 进行研究. 1 炼钢厂钢包周转解析 1.1 炼钢厂平面布置 本文研究的炼钢厂目前有 2 座 210 t 转炉 (BOF)，2 座 CAS 炉，1 座双工位 LF 炉，2 座双 工位 RH 炉，2 台双流板坯连铸机 (CC)，2 个在线 烘烤位，6 个离线烘烤和 3 个热修工位，构成典型 的炼钢 — 精炼 — 连铸相结合的转炉炼钢生产模 式. 炼钢厂平面布置如图 1 所示
.1074 北京科技大学学报 第35卷 炼钢车间 1#CAS2#CAS 3 浇注跨 4#CC 3#CC 2# 出钢跨 热修 热修 双工位4#RHL儿」 离线烘烤区 双工位2#LF元 精炼跨 双工位3#RH 离线烘烤区 转炉跨 热修 在线烘烤位在线烘烤位 5#BOF 4#BOF 加料跨 1一铁水包倒包区：2一铁水预处理位：3一中间包烘烤区：4一中间包存放区 图1炼钢厂平面布置 Fig.1 Layout of the steelmaking plant 1.2钢包周转模式解析 表2重包阶段运输时间 钢包周转模式由炼钢厂的工艺布局和冶炼路 Table 2 Transit time of the full steel ladle stage min 径所决定.为对炼钢厂钢包周转率进行研究，首先 转炉一精炼 平均时间最小时间最大时间 4、5#BOF一3#RH 9.9 5.1 17.1 需清楚掌握钢包周转模式，如图2所示. 4、5#BOF一4#RH 11.2 5.6 18.3 4、5#BOF-2#LF 10.9 4.8 16.6 4、5#BOF-CAS1、CAS2 11.3 5.8 19.1 转炉出钢 连铸 精炼一连铸 平均时间最小时间最大时间 运输 运输 3#RH一3#CC 14.9 6.1 19.9 RH 在线烘烤 倒渣 4#RH一3#CC 15.1 6.0 19.8 运输 2#LF-3#CC 13.9 5.5 19.8 运输 热修 运片 CAS1-3#CC 15.3 6.5 20.2 …运输 CAS2-3#CC 15.5 6.6 20.6 离线烘烤 运输 冷修 3#RH一4#CC 15.1 6.2 19.8 4#RH一4#CC 15.3 5.9 20.0 图2钢包周转模式 2#LF一4#CC 13.8 5.1 19.9 Fig.2 Turnover pattern of the steel ladle CAS1一4#CC 14.9 6.3 19.3 CAS2-4#CC 15.2 6.6 19.7 在炼钢生产中，钢包周转一次一般需经历：转 表3空包阶段运输时间 炉、精炼、连铸、倒渣、热修或冷修及在线或离线 Table 3 Transit time of the empty steel ladle stage min 烘烤等过程. 工序路径 平均时间最小时间最大时间 1.3钢包周转时间解析 3#C℃一倒渣位 9.9 5.1 17.1 4#CC一倒渣位 11.2 5.6 18.3 对炼钢厂2012年1一6月钢包周转数据进行统 倒渣位一1#热修位 6.9 4.8 8.6 计，得出典型钢种的钢包工序处理时间如表1所示. 倒渣位一2#热修位 6.7 4.9 8.3 钢包的工位（工位指RH的21#位或22#位）间运 倒渣位一3#热修位 8.7 6.2 10.3 输时间，如表2和表3所示 1#热修一4、5#BOF 5.1 4.5 7.6 2#热修一4、5#BOF 5.3 4.6 7.4 3#热修一4、5#BOF 3.4 4.4 6.2 表1工序处理时间 Table 1 Working time of process min 钢包周转过程仿真模型 工序时间 钢种 转炉精炼方式及时间连铸倒渣热修 实际炼钢生产中，钢包周转过程是一个涉及生 SPHC 35~40 LF,303533385.29.715.750.6 产计划和钢包信息的复杂调度过程.本文根据实际 M3A223540RH,6070. 30335.29.715.750.6 生产计划和钢包信息，将钢包周转过程的控制约束 X703540 LF,50~60: 35405.29.715.750.6 RH,3035 和过程时间等边界条件加载到仿真模型中，建立钢
· 1074 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 1 炼钢厂平面布置 Fig.1 Layout of the steelmaking plant 1.2 钢包周转模式解析 钢包周转模式由炼钢厂的工艺布局和冶炼路 径所决定. 为对炼钢厂钢包周转率进行研究，首先 需清楚掌握钢包周转模式，如图 2 所示. 图 2 钢包周转模式 Fig.2 Turnover pattern of the steel ladle 在炼钢生产中，钢包周转一次一般需经历：转 炉、精炼、连铸、倒渣、热修或冷修及在线或离线 烘烤等过程. 1.3 钢包周转时间解析 对炼钢厂 2012 年 1—6 月钢包周转数据进行统 计，得出典型钢种的钢包工序处理时间如表 1 所示. 钢包的工位 (工位指 RH 的 21#位或 22#位) 间运 输时间，如表 2 和表 3 所示. 表 1 工序处理时间 Table 1 Working time of process min 钢种 工序时间 转炉 精炼方式及时间 连铸 倒渣 热修 SPHC 35∼40 LF, 30∼35 33∼38 5.2∼9.7 15.7∼50.6 M3A22 35∼40 RH, 60∼70 30∼33 5.2∼9.7 15.7∼50.6 X70 35∼40 LF, 50 ∼ 60; RH, 30 ∼ 35 35∼40 5.2∼9.7 15.7∼50.6 表 2 重包阶段运输时间 Table 2 Transit time of the full steel ladle stage min 转炉 — 精炼 平均时间 最小时间 最大时间 4、5#BOF—3#RH 9.9 5.1 17.1 4、5#BOF—4#RH 11.2 5.6 18.3 4、5#BOF—2#LF 10.9 4.8 16.6 4、5#BOF—CAS1、CAS2 11.3 5.8 19.1 精炼 — 连铸 平均时间 最小时间 最大时间 3#RH—3#CC 14.9 6.1 19.9 4#RH—3#CC 15.1 6.0 19.8 2#LF—3#CC 13.9 5.5 19.8 CAS1—3#CC 15.3 6.5 20.2 CAS2—3#CC 15.5 6.6 20.6 3#RH—4#CC 15.1 6.2 19.8 4#RH—4#CC 15.3 5.9 20.0 2#LF—4#CC 13.8 5.1 19.9 CAS1—4#CC 14.9 6.3 19.3 CAS2—4#CC 15.2 6.6 19.7 表 3 空包阶段运输时间 Table 3 Transit time of the empty steel ladle stage min 工序路径 平均时间 最小时间 最大时间 3#CC— 倒渣位 9.9 5.1 17.1 4#CC— 倒渣位 11.2 5.6 18.3 倒渣位 —1#热修位 6.9 4.8 8.6 倒渣位 —2#热修位 6.7 4.9 8.3 倒渣位 —3#热修位 8.7 6.2 10.3 1#热修 —4、5#BOF 5.1 4.5 7.6 2#热修 —4、5#BOF 5.3 4.6 7.4 3#热修 —4、5#BOF 3.4 4.4 6.2 2 钢包周转过程仿真模型 实际炼钢生产中，钢包周转过程是一个涉及生 产计划和钢包信息的复杂调度过程. 本文根据实际 生产计划和钢包信息，将钢包周转过程的控制约束 和过程时间等边界条件加载到仿真模型中，建立钢
第8期 蔡峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1075· 包周转过程仿真模型，对影响钢包周转率的典型因 前钢包的使用次数.模型中设置钢包下线约束，规 素进行研究 定修包包龄为40次进行一次修理：当使用次数达 2.1钢包周转过程仿真模型建立 到40后，钢包转入冷修. 为保证铸机连续浇注，钢包周转过程采用逆流 (③)出钢等待约束.实际生产中，出钢等包的 仿真方式实现，将转炉一连铸间的各个工序按原 情况经常发生.在模型中，设置钢包出钢等待约束， 有工艺布局逆转，使钢包和钢水从铸机进入流程， 规定出钢计划开始前已周转的钢包达到出钢位等待 逆流向转炉运行，空钢包经热修等工序后，最终返 承接钢水. 回铸机 (4)路径选择约束.钢包精炼路径选择根据钢 2.1.1钢包周转约束 种精炼方式(RH、LF或CAS)进行约束控制，建立 在钢包周转模式深入研究基础上，总结提炼出 路径选择优先级；其他工序，如转炉、倒渣和热修 实际控制钢包周转的约束条件，保证钢包正常周转 工序根据工位占用情况随机选择 和生产运行.制定新钢包上线、空包下线、出钢等 (⑤)空包修理时间约束.钢包到达修包包龄后， 待、路径选择和空包烘烤时间等控制约束，并通过 需对钢包渣线、包壁或包底等进行修理.因此，结 Simtalk语言将控制约束编写相应的Method到模 合实际修包时间，模型中设置空包修理时间约束， 型中 规定钢包修理时间为72h. (1)新钢包上线约束.出钢前判断系统内是否 (6)空包烘烤时间约束.为减少出钢钢水温降， 有周转钢包，若无周转钢包，则投入离线烘烤的 钢包修理后，需进行一段时间烘烤，当包衬温度到 新钢包，并假设该钢包已烘烤完毕，具备上线温度 达要求后再上线投入使用.因此，设置空包烘烤时 要求. 间约束，对钢包进行≥48h的烘烤 (2)空包下线约束.钢包在浇注完钢水后，需判2.1.2钢包周转约束应用 断是否达到修包包龄.若达到修包包龄，则转入离 钢包在实际周转过程中，受生产工艺和自身状 线修理：若未达修包包龄，则钢包经热修更换水口 况等条件的约束和控制.因此，需将钢包周转约束 或滑板后，继续周转使用.修包包龄是指钢包在转 应用到钢包周转过程仿真模型中，保证仿真的真实 炉一连铸区段连续周转使用若干次后，进行修理 性.具体流程如图3所示 仿真开始 出钢计划 获取生产计划 路径选择 连铸 约束 精炼 转炉出钢 (是) 空包下线 钢包信息 获取钢包信息 出钢等 约束 待约束 倒渣 热修 在线烘烤 皇否存在 (是) 周转钢包 烘烤时间 新钢包 约束 丫否 上线约束 空包修理 是否存在 冷修 时间约束 离线烘烤 烘烤钢包 否 仿真结束 图3钢包周转过程与控制 Fig.3 Turnover process and control of the steel ladle 仿真开始，首先获取生产计划（如生产钢种、出 约束”连续进入铸机；同时，钢包周转过程中根据 钢时间和开浇时间)和钢包信息（如修包包龄）；然 “路径选择约束”进行控制：经过转炉出钢后，空包 后判断仿真模型内是否存在周转钢包，若存在则根 根据“空包下线约束”结合生产计划和钢包信息，决 据“出钢等待约束”，钢包逆向由铸机按照生产计划 定继续周转或是冷修：最后，所有炉次的生产计划 连续进入流程，若不存在则钢包根据“新钢包上线 完成，仿真结束
第 8 期 蔡 峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1075 ·· 包周转过程仿真模型，对影响钢包周转率的典型因 素进行研究. 2.1 钢包周转过程仿真模型建立 为保证铸机连续浇注，钢包周转过程采用逆流 仿真方式实现，将转炉 — 连铸间的各个工序按原 有工艺布局逆转，使钢包和钢水从铸机进入流程， 逆流向转炉运行，空钢包经热修等工序后，最终返 回铸机. 2.1.1 钢包周转约束 在钢包周转模式深入研究基础上，总结提炼出 实际控制钢包周转的约束条件，保证钢包正常周转 和生产运行. 制定新钢包上线、空包下线、出钢等 待、路径选择和空包烘烤时间等控制约束，并通过 Simtalk 语言将控制约束编写相应的 Method 到模 型中. (1) 新钢包上线约束. 出钢前判断系统内是否 有周转钢包，若无周转钢包，则投入离线烘烤的 新钢包，并假设该钢包已烘烤完毕，具备上线温度 要求. (2) 空包下线约束. 钢包在浇注完钢水后，需判 断是否达到修包包龄. 若达到修包包龄，则转入离 线修理；若未达修包包龄，则钢包经热修更换水口 或滑板后，继续周转使用. 修包包龄是指钢包在转 炉 — 连铸区段连续周转使用若干次后，进行修理 前钢包的使用次数. 模型中设置钢包下线约束，规 定修包包龄为 40 次进行一次修理；当使用次数达 到 40 后，钢包转入冷修. (3) 出钢等待约束. 实际生产中，出钢等包的 情况经常发生. 在模型中，设置钢包出钢等待约束， 规定出钢计划开始前已周转的钢包达到出钢位等待 承接钢水. (4) 路径选择约束. 钢包精炼路径选择根据钢 种精炼方式 (RH、LF 或 CAS) 进行约束控制，建立 路径选择优先级；其他工序，如转炉、倒渣和热修 工序根据工位占用情况随机选择. (5) 空包修理时间约束. 钢包到达修包包龄后， 需对钢包渣线、包壁或包底等进行修理. 因此，结 合实际修包时间，模型中设置空包修理时间约束， 规定钢包修理时间为 72 h. (6) 空包烘烤时间约束. 为减少出钢钢水温降， 钢包修理后，需进行一段时间烘烤，当包衬温度到 达要求后再上线投入使用. 因此，设置空包烘烤时 间约束，对钢包进行 >48 h 的烘烤. 2.1.2 钢包周转约束应用 钢包在实际周转过程中，受生产工艺和自身状 况等条件的约束和控制. 因此，需将钢包周转约束 应用到钢包周转过程仿真模型中，保证仿真的真实 性. 具体流程如图 3 所示. 图 3 钢包周转过程与控制 Fig.3 Turnover process and control of the steel ladle 仿真开始，首先获取生产计划 (如生产钢种、出 钢时间和开浇时间) 和钢包信息 (如修包包龄)；然 后判断仿真模型内是否存在周转钢包，若存在则根 据 “出钢等待约束”，钢包逆向由铸机按照生产计划 连续进入流程，若不存在则钢包根据 “新钢包上线 约束” 连续进入铸机；同时，钢包周转过程中根据 “路径选择约束” 进行控制；经过转炉出钢后，空包 根据 “空包下线约束” 结合生产计划和钢包信息，决 定继续周转或是冷修；最后，所有炉次的生产计划 完成，仿真结束
.1076 北京科技大学学报 第35卷 2.2钢包周转过程仿真模型设置 设置，结合钢包在各个工位间运输时间及波动参照 鉴于钢包周转过程的复杂性，本文结合炼钢厂 表2和表3的平均时间、最大时间和最小时间设置 的钢包周转过程特点和仿真软件提供的丰富建模对 钢包的工位间运输时间. 象对仿真模型进行设置，包括模型对象设置和模型 时间设置两部分 表4模型对象对照表 (1)模型对象设置.在模型中，采用单加工单元 Table 4 Comparison table of modeling objects SingleProc对工位建模，采用Line对运输线路建 实际对象 建模对象 备注 模，采用Container对钢包建模，采用Entity对钢 钢包 Container 移动单元，承载Entity 钢水 Entity 移动单元 水建模，生产计划用TableFile储存，通过铸机前的 钢包周转约束 Method Simtalk编程语言 Source输入生产计划，Drain回收钢水.钢包周转约 生产计划 TableFile 存储计划 束用Simtalk语言编写成相应的Method.具体设置 工位 SingleProc 处理工位 运输线路 Line 运输路线 如表4所示 铸机 Source 产生钢水 (2)模型时间设置.为使仿真过程更贴近实际， 转炉 Drain 回收钢水 建模需考虑实际钢包周转中钢包工序处理和工位间 运输的时间波动.因此，模型时间设置采用标准正 结合炼钢厂平面布局，确定钢包周转网络图， 态分布方式，结合钢种的工艺处理时间及波动参照 建立钢包周转过程仿真模型如图4所示，实际生产 表1的最大和最小时间对钢包的工序处理时间进行 计划如表5所示. M M M 路径选择约束 精炼处转炉处 空包下 空包烘烤时间约束 理时间理时间 线约束 3#RI 铜包修 烘烤 2#LF 理区 热修1 M 3#L 在线烘烤 新包上线约束 #RH1 热修2 翻渣 #RH2 在线烘烤 CAS2 5#ROF M 空包修理时间约束 热修 CAS7 M ④ taskl row 1num container 钢包计划出钢等 生产计划实际计划 待约束 图4钢包周转过程仿真 Fig.4 Simulation of steel ladle turnover process 表5实际生产计划表 Table 5 Actual production planning 生产钢种 炉数 连铸时间/min 精炼方式 精炼时间/min 连铸机号 开浇时刻 M3A22 3 3033 RH 6070 3# 2012/3/2 0:30:00 SPHC 3338 LF/RH/CAS 3035 4# 2012/3/2 2:01:00 SPAH 3033 LF 3540 3# 2012/3/2 4:32:00 SS400B 3540 RH 4045 4# 2012/3/2 8:42:00 HP295 12 3033 LF 3540 3# 2012/3/2 15:42:00 SPHC 10 3338 LF/RH/CAS 3035 4# 2012/3/2 20:08:00 3仿真结果分析 因素对钢包周转率的影响. 本文通过钢包周转过程仿真模型，研究特定条 3.1热修时间对钢包周转率的影响 件下的热修时间、生产钢种和修包包龄等三个典型 多数钢厂由于空包运行控制不足，存在转炉出
· 1076 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 2.2 钢包周转过程仿真模型设置 鉴于钢包周转过程的复杂性，本文结合炼钢厂 的钢包周转过程特点和仿真软件提供的丰富建模对 象对仿真模型进行设置，包括模型对象设置和模型 时间设置两部分. (1) 模型对象设置. 在模型中，采用单加工单元 SingleProc 对工位建模，采用 Line 对运输线路建 模，采用 Container 对钢包建模，采用 Entity 对钢 水建模，生产计划用 TableFile 储存，通过铸机前的 Source 输入生产计划，Drain 回收钢水. 钢包周转约 束用 Simtalk 语言编写成相应的 Method. 具体设置 如表 4 所示. (2) 模型时间设置. 为使仿真过程更贴近实际， 建模需考虑实际钢包周转中钢包工序处理和工位间 运输的时间波动. 因此，模型时间设置采用标准正 态分布方式，结合钢种的工艺处理时间及波动参照 表 1 的最大和最小时间对钢包的工序处理时间进行 设置，结合钢包在各个工位间运输时间及波动参照 表 2 和表 3 的平均时间、最大时间和最小时间设置 钢包的工位间运输时间. 表 4 模型对象对照表 Table 4 Comparison table of modeling objects 实际对象 建模对象 备注 钢包 Container 移动单元，承载 Entity 钢水 Entity 移动单元 钢包周转约束 Method Simtalk 编程语言 生产计划 TableFile 存储计划 工位 SingleProc 处理工位 运输线路 Line 运输路线 铸机 Source 产生钢水 转炉 Drain 回收钢水 结合炼钢厂平面布局，确定钢包周转网络图， 建立钢包周转过程仿真模型如图 4 所示，实际生产 计划如表 5 所示. 图 4 钢包周转过程仿真 Fig.4 Simulation of steel ladle turnover process 表 5 实际生产计划表 Table 5 Actual production planning 生产钢种 炉数 连铸时间/min 精炼方式 精炼时间/min 连铸机号 开浇时刻 M3A22 3 30∼33 RH 60∼70 3# 2012-03-02T00:30:00 SPHC 6 33∼38 LF/RH/CAS 30∼35 4# 2012-03-02T02:01:00 SPAH 7 30∼33 LF 35∼40 3# 2012-03-02T04:32:00 SS400B 7 35∼40 RH 40∼45 4# 2012-03-02T08:42:00 HP295 12 30∼33 LF 35∼40 3# 2012-03-02T15:42:00 SPHC 10 33∼38 LF/RH/CAS 30∼35 4# 2012-03-02T20:08:00 3 仿真结果分析 本文通过钢包周转过程仿真模型，研究特定条 件下的热修时间、生产钢种和修包包龄等三个典型 因素对钢包周转率的影响. 3.1 热修时间对钢包周转率的影响 多数钢厂由于空包运行控制不足，存在转炉出
第8期 蔡峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1077· 钢等钢包或是空包运行时间过长的现象，这对钢包 置，钢包的工位运输时间参照表2和表3设置，其 周转率产生较大影响.特别是空包阶段的钢包热修 中将钢包的热修时间调整为相同设置，如0,5，·， 时间占比重最大，约为空包时间的60%，而且时间 60min,并且忽略热修时间波动和修包包龄. 波动较大，因此需对热修时间与钢包周转率的关系 生产计划：2012年1月一2012年6月，日产 进行深入研究 41、43和45炉时，生产实际典型钢种的生产计划， 仿真设置：钢包的工序处理时间参照表1设 如表6中所示.仿真结果如图5所示 表6典型钢种生产计划 Table 6 Production planning of typical steel grades 日产炉数 典型钢种品种 41 M3A31(6炉)，SPHC(12炉)，S23(3炉)，CSA(8炉)，ZSAC1(9炉)，SDX51D(3炉) 42 SPHC(9炉)，S23(7炉)，CSA(2炉)，SDX51D(15炉)，M3A31(7炉)，ZSAC1(2炉) SDX51D(6炉)，CSAO1(3炉)，S30Y(12炉)，SAE1017(9炉)，Q235B(3炉)，CSA(2炉)，SDC01(6炉)，SDX52D(2炉) 44 S60RC(12炉)，SAE1008B(3炉)，SPHC-W(24炉)，52AO1(3炉)，SDX51D(2炉) 45 SPHC-W(11炉)，S60RC(13炉)，SPA-H(6炉)，CSA(2炉)，SDC01(4炉)，SDX51D(9炉) 46 SDX51D(13炉)，SDC01(4炉)，SDX52D(2炉)，M4A02(6炉)，SPHC(12炉)，MR-T25(3炉)，SPHC-W(5炉) Q235B(5炉)，SPHC-W(15炉)，SDX51D(9炉)，SPHC(6炉)，M3A30(8炉)，SAE1008B(6炉) 48 SPA-H(2炉)，MR-T4(11炉)，SAE1008B(16炉)，S23(10炉)，SPHC(8炉) 49 SDX51D(4炉)，ZSAC1(9炉)，SPHC-W(13炉)，S60RC(11炉)，SPA-H(12炉) 50 SDX54D(8炉)，L555MB-2(8炉)，SPA-H(12炉)，SPHC(12炉)，M3A43(10炉) 6.6m 一日产45炉 020min时，钢包周转率都为6.14，原因是这段时 6.41 一日产43炉 间内钢包周转数量未受到实际钢包周转时间波动的 6.2 ◆一日产41炉 哥6.0 影响.由此说明热修时间在一定范围内变化时，如 曰5.6 020mim,钢包周转率是可保持不变；但如果热修 幂5.4 时间超过此范围，如达到30min,那么钢包周转率 5.2 5.0 就会降低.所以为使钢包周转率得到优化，应将钢 4.8 包热修时间控制在一个合理范围. 051015202530354045505560 热修时间/min 仿真结果说明：钢包周转过程中，热修时间控 图5热修时间与钢包周转率关系 制的不足，是限制钢包周转效率的重要环节.现场 经验表明，采取提高热修工作效率，避免修包等待， Fig.5 Relationship between the hot repair time and the turnover rate 加快空包周转速度等方法，可以有效提高钢包周转 率.因此，由表1炼钢厂的钢包热修时间为15.7min 当产量一定时，随着热修时间增加，钢包周转 至50.6mim,结合现场实际生产情况，应尽量控制 率呈阶梯状下降，如日产45炉时，钢包周转率由 钢包热修时间小于35min,例如2025min,而过 020mim时6.43减小到2545min时5.63最后 短的热修时间对提高钢包周转率也无必要 到5060mim时的5.0.由于热修时间的增加，使钢 3.2生产钢种对钢包周转率的影响 包不能及时完成修理继续周转，但为严格执行转炉 炼钢厂冶炼钢种繁多，生产工艺复杂，对钢 出钢计划，避免转炉出钢等包造成连铸断浇事故发 水温度控制的精确性和各工序的生产协调性要求严 生，就需要投入新钢包，增加钢包周转数量，由此 格.但是，现实情况是生产钢种的多样性，造成厂内 造成钢包周转率下降. 钢包周转过程复杂，钢包周转率控制还不是十分理 钢包周转率变化主要集中在热修时间为20~ 想，影响了钢包热状态和转炉出钢温度.由此，考虑 30min范围内，这时存在一个使钢包周转率发生 生产钢种对钢包周转率的影响. 变化的热修时间极限，如日产43炉时，热修时间 仿真设置：钢包的工序处理时间参照表1设置， 超过25min,钢包周转率会由6.14下降到5.3，因 钢包的工位间运输时间参照表2和表3设置，忽略 此25min可视为日产43炉时钢包周转率变化的 修包包龄 热修时间极限.此外，日产43炉下，热修时间为 生产计划：2012年1月一2012年6月，日
第 8 期 蔡 峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1077 ·· 钢等钢包或是空包运行时间过长的现象，这对钢包 周转率产生较大影响. 特别是空包阶段的钢包热修 时间占比重最大，约为空包时间的 60%，而且时间 波动较大，因此需对热修时间与钢包周转率的关系 进行深入研究. 仿真设置：钢包的工序处理时间参照表 1 设 置，钢包的工位运输时间参照表 2 和表 3 设置，其 中将钢包的热修时间调整为相同设置，如 0, 5, · · · , 60 min，并且忽略热修时间波动和修包包龄. 生产计划：2012 年 1 月 —2012 年 6 月，日产 41、43 和 45 炉时，生产实际典型钢种的生产计划， 如表 6 中所示. 仿真结果如图 5 所示. 表 6 典型钢种生产计划 Table 6 Production planning of typical steel grades 日产炉数 典型钢种品种 41 M3A31(6 炉)，SPHC(12 炉)，S23(3 炉)，CSA(8 炉)，ZSAC1(9 炉)，SDX51D(3 炉) 42 SPHC(9 炉)，S23(7 炉)，CSA(2 炉)，SDX51D(15 炉)，M3A31(7 炉)，ZSAC1(2 炉) 43 SDX51D(6 炉)，CSAO1(3 炉)，S30Y(12 炉)，SAE1017(9 炉)，Q235B(3 炉)，CSA(2 炉)，SDC01(6 炉)，SDX52D(2 炉) 44 S60RC(12 炉)，SAE1008B(3 炉)，SPHC-W(24 炉)，52AO1(3 炉)，SDX51D(2 炉) 45 SPHC-W(11 炉)，S60RC(13 炉)，SPA-H(6 炉)，CSA(2 炉)，SDC01(4 炉)，SDX51D(9 炉) 46 SDX51D(13 炉)，SDC01(4 炉)，SDX52D(2 炉)，M4A02(6 炉)，SPHC(12 炉)，MR-T25(3 炉)，SPHC-W(5 炉) 47 Q235B (5 炉)，SPHC-W(15 炉)，SDX51D(9 炉)，SPHC(6 炉)，M3A30(8 炉)，SAE1008B(6 炉) 48 SPA-H(2 炉)，MR-T4(11 炉)，SAE1008B(16 炉)，S23(10 炉)，SPHC(8 炉) 49 SDX51D(4 炉)，ZSAC1(9 炉)，SPHC-W(13 炉)，S60RC(11 炉)，SPA-H(12 炉) 50 SDX54D(8 炉)，L555MB-2(8 炉)，SPA-H(12 炉)，SPHC(12 炉)，M3A43(10 炉) 图 5 热修时间与钢包周转率关系 Fig.5 Relationship between the hot repair time and the turnover rate 当产量一定时，随着热修时间增加，钢包周转 率呈阶梯状下降，如日产 45 炉时，钢包周转率由 0∼20 min 时 6.43 减小到 25∼45 min 时 5.63 最后 到 50∼60 min 时的 5.0. 由于热修时间的增加，使钢 包不能及时完成修理继续周转，但为严格执行转炉 出钢计划，避免转炉出钢等包造成连铸断浇事故发 生，就需要投入新钢包，增加钢包周转数量，由此 造成钢包周转率下降. 钢包周转率变化主要集中在热修时间为 20∼ 30 min 范围内，这时存在一个使钢包周转率发生 变化的热修时间极限，如日产 43 炉时，热修时间 超过 25 min，钢包周转率会由 6.14 下降到 5.3，因 此 25 min 可视为日产 43 炉时钢包周转率变化的 热修时间极限. 此外，日产 43 炉下，热修时间为 0∼20 min 时，钢包周转率都为 6.14，原因是这段时 间内钢包周转数量未受到实际钢包周转时间波动的 影响. 由此说明热修时间在一定范围内变化时，如 0∼20 min，钢包周转率是可保持不变；但如果热修 时间超过此范围，如达到 30 min，那么钢包周转率 就会降低. 所以为使钢包周转率得到优化，应将钢 包热修时间控制在一个合理范围. 仿真结果说明：钢包周转过程中，热修时间控 制的不足，是限制钢包周转效率的重要环节. 现场 经验表明，采取提高热修工作效率，避免修包等待， 加快空包周转速度等方法，可以有效提高钢包周转 率. 因此，由表 1 炼钢厂的钢包热修时间为 15.7 min 至 50.6 min，结合现场实际生产情况，应尽量控制 钢包热修时间小于 35 min，例如 20∼25 min，而过 短的热修时间对提高钢包周转率也无必要. 3.2 生产钢种对钢包周转率的影响 炼钢厂冶炼钢种繁多，生产工艺复杂，对钢 水温度控制的精确性和各工序的生产协调性要求严 格. 但是，现实情况是生产钢种的多样性，造成厂内 钢包周转过程复杂，钢包周转率控制还不是十分理 想，影响了钢包热状态和转炉出钢温度. 由此，考虑 生产钢种对钢包周转率的影响. 仿真设置：钢包的工序处理时间参照表 1 设置， 钢包的工位间运输时间参照表 2 和表 3 设置，忽略 修包包龄. 生产计划：2012 年 1 月 —2012 年 6 月，日
.1078 北京科技大学学报 第35卷 产4150炉时，生产实际典型钢种的生产计划如 3.3修包包龄对钢包周转率的影响 表6中所示，其中将实际生产钢种调整为相同品种 钢包周转过程中，常会出现因达到修包包龄而 SPHC、M3A22或X70.仿真结果如图6所示. 退出周转，离线修理的情况.为保证生产连续进行， SPHC 需要投入新钢包，增加钢包周转数量，这会对钢包 6.6 ●M3A22 周转率产生影响.由此考虑通过仿真模型研究修包 6.3 ★X70 包龄对钢包周转率的影响. 6.0 5.7 仿真设置：钢包的工序处理时间参照表1设置， 钢包的工位间运输时间参照表2和表3设置，其中 5.1 4.8 将钢包修包包龄按照40,41，·，48次设置. 4.5 生产计划：2012年1月一2012年6月，日产 4.2 1 42 4344 4546474849 50 45、46和48炉时，生产实际典型钢种的生产计划 日产炉数 如表6中所示，仿真结果如图7所示 图6钢种与钢包周转率关系 7.5 7.0 Fig.6 Relationship between the steel grade and the turnover rate 6.5 墨60 日产炉数相同时，SPHC钢种的钢包周转率大 5.5 于M3A22钢种的钢包周转率，而X70钢种的钢包 5.0 女日产48炉 45 周转率最低，但日产45和46炉时比较特殊，SPHC 日产46炉 4.0 +日产45炉 钢种的钢包周转率和M3A22钢种的钢包周转率相 3.5 42 434445 46 4748 同.SPHC钢种的最大钢包周转率为628，X70钢种 日产炉数 的最小钢包周转率为4.5.不同钢种的钢包周转率 图7修包包龄与钢包周转率关系 差异是由于它们的钢包周转时间差别很大，SPHC Fig.7 Relationship between the repair age and the turnover 钢种的钢包周转平均时间为185min,时间最短： rate 而X70钢种由于操作制度要求需经炉外精炼双联 产量一定时，随着修包包龄的提高，钢包周转 法（经过LF+H精炼）处理，精炼时间长而且钢包 率不断增加，如日产48炉时，钢包周转率从4.0提 调度过程复杂，所以钢包周转时间比SPHC钢种多 高到6.86.由于修包包龄直接关系到钢包周转的次 50~60min,但为保证连续浇注就需增加钢包数量， 数，包龄越高则钢包周转次数越多，所以修包包龄 导致X70钢种的钢包周转率降低.因此，可以说一 提高在增加钢包周转次数的同时，减少了钢包修理 定产量范围内，每类钢种的钢包周转率都有一个极 频率，进而避免了因甩包而带来的新钢包投入，使 限值（最大或最小）经炉外精炼双联法钢种的钢包 钢包周转数量减少，因此提高了钢包周转率 周转率相对较低. 同时，修包包龄增加到一定程度时，钢包周转 由Q=M知，钢包周转率由日产炉数和钢包 率会不再受包龄影响，周转率会达到极限.炼钢厂 周转数量共同决定，产量一定下，钢包周转数量越 现有生产模式下，日产48炉时的钢包周转率极限 少则周转率越高：相应地，钢包周转数量一定时，产 可达6.86，而且钢包周转率的极限可由日产45炉 量越高则周转率越高.一定产量范围内，钢包周转 时的6.43，提高到日产48炉时的6.86，表明随着日 率随产量增加而提高，但当产量达到一定程度时， 产炉数增加，钢包周转率的极限也逐渐提高，而且 钢包周转数量就会增加，由此造成钢包周转率产生 产量越大钢包周转率的提升空间越大 下降的波动.以SPHC钢种为例，钢包周转率由44 炉时的6.28下降到45炉时的5.63，就是这个原因. 4结论 研究表明，钢包周转率受到钢包周转时间影响，而 (1)炼钢厂的钢包热修时间，主要对钢包周转 钢包周转时间主要与生产钢种的处理时间和工艺路 率起到降低作用.鉴于钢包热修时间超过极限时间 径有关，钢种的处理时间越短、工艺路径越简单，则 后，钢包周转率会发生变化的情况.对钢包热修提 钢包周转时间越短，钢包周转率越高，因此生产计 出要求，应规范热修操作时间，尽量控制钢包热修 划编排时需考虑不同浇次间钢种的搭配，保证不同 时间小于35min. 钢种生产下的钢包周转率达到最优 (2)总体上，不同钢种的钢包周转率相差较大：
· 1078 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 产 41∼50 炉时，生产实际典型钢种的生产计划如 表 6 中所示，其中将实际生产钢种调整为相同品种 SPHC、M3A22 或 X70. 仿真结果如图 6 所示. 图 6 钢种与钢包周转率关系 Fig.6 Relationship between the steel grade and the turnover rate 日产炉数相同时，SPHC 钢种的钢包周转率大 于 M3A22 钢种的钢包周转率，而 X70 钢种的钢包 周转率最低，但日产 45 和 46 炉时比较特殊，SPHC 钢种的钢包周转率和 M3A22 钢种的钢包周转率相 同. SPHC 钢种的最大钢包周转率为 6.28，X70 钢种 的最小钢包周转率为 4.5. 不同钢种的钢包周转率 差异是由于它们的钢包周转时间差别很大，SPHC 钢种的钢包周转平均时间为 185 min，时间最短； 而 X70 钢种由于操作制度要求需经炉外精炼双联 法 (经过 LF+RH 精炼) 处理，精炼时间长而且钢包 调度过程复杂，所以钢包周转时间比 SPHC 钢种多 50∼60 min，但为保证连续浇注就需增加钢包数量， 导致 X70 钢种的钢包周转率降低. 因此，可以说一 定产量范围内，每类钢种的钢包周转率都有一个极 限值 (最大或最小)；经炉外精炼双联法钢种的钢包 周转率相对较低. 由 α = M n 知，钢包周转率由日产炉数和钢包 周转数量共同决定，产量一定下，钢包周转数量越 少则周转率越高；相应地，钢包周转数量一定时，产 量越高则周转率越高. 一定产量范围内，钢包周转 率随产量增加而提高，但当产量达到一定程度时， 钢包周转数量就会增加，由此造成钢包周转率产生 下降的波动. 以 SPHC 钢种为例，钢包周转率由 44 炉时的 6.28 下降到 45 炉时的 5.63，就是这个原因. 研究表明，钢包周转率受到钢包周转时间影响，而 钢包周转时间主要与生产钢种的处理时间和工艺路 径有关，钢种的处理时间越短、工艺路径越简单，则 钢包周转时间越短，钢包周转率越高，因此生产计 划编排时需考虑不同浇次间钢种的搭配，保证不同 钢种生产下的钢包周转率达到最优. 3.3 修包包龄对钢包周转率的影响 钢包周转过程中，常会出现因达到修包包龄而 退出周转，离线修理的情况. 为保证生产连续进行， 需要投入新钢包，增加钢包周转数量，这会对钢包 周转率产生影响. 由此考虑通过仿真模型研究修包 包龄对钢包周转率的影响. 仿真设置：钢包的工序处理时间参照表 1 设置， 钢包的工位间运输时间参照表 2 和表 3 设置，其中 将钢包修包包龄按照 40, 41, · · · , 48 次设置. 生产计划：2012 年 1 月 —2012 年 6 月，日产 45、46 和 48 炉时，生产实际典型钢种的生产计划 如表 6 中所示，仿真结果如图 7 所示. 图 7 修包包龄与钢包周转率关系 Fig.7 Relationship between the repair age and the turnover rate 产量一定时，随着修包包龄的提高，钢包周转 率不断增加，如日产 48 炉时，钢包周转率从 4.0 提 高到 6.86. 由于修包包龄直接关系到钢包周转的次 数，包龄越高则钢包周转次数越多，所以修包包龄 提高在增加钢包周转次数的同时，减少了钢包修理 频率，进而避免了因甩包而带来的新钢包投入，使 钢包周转数量减少，因此提高了钢包周转率. 同时，修包包龄增加到一定程度时，钢包周转 率会不再受包龄影响，周转率会达到极限. 炼钢厂 现有生产模式下，日产 48 炉时的钢包周转率极限 可达 6.86，而且钢包周转率的极限可由日产 45 炉 时的 6.43，提高到日产 48 炉时的 6.86，表明随着日 产炉数增加，钢包周转率的极限也逐渐提高，而且 产量越大钢包周转率的提升空间越大. 4 结论 (1) 炼钢厂的钢包热修时间，主要对钢包周转 率起到降低作用. 鉴于钢包热修时间超过极限时间 后，钢包周转率会发生变化的情况. 对钢包热修提 出要求，应规范热修操作时间，尽量控制钢包热修 时间小于 35 min. (2) 总体上，不同钢种的钢包周转率相差较大；
第8期 蔡峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 ·1079· 但随着产量和钢包周转数量增加，钢包周转率会产 tom,2011,35(1):40 生下降的波动，导致不同钢种钢包周转率相同，如 (黄帮福，田乃媛，李广双，等.钢包管理系统的设计与实 日产45和46炉时，SPHC钢种和M3A22钢种的 现.治金自动化.2011,35(1)：40) 钢包周转率相同. [5]Hong J,Li X H,Li Y S,et al.Dynamic management mode (③)修包包龄是提高钢包周转率需考虑的一个 for turn-around of high efficient concasting ladle.Res Iron Steel,2001(3):22 重要因素，提高修包包龄对钢包周转率优化作用非 (洪军，李小虎，李艳爽，等.高效连铸钢包周转的动态管理 常明显.如日产48炉典型钢种，修包包龄由40增 模式.钢铁研究，2001(3)：22) 加到45次时，钢包周转率提高幅度可达2.86.由 [6]Keshari K,Mukhopadhyay B,Das P C.Superheat control 此，建议为优化钢包周转率，从钢包耐材和修包质 with efficient ladle management //14th IAS Steelmaking 量等方面综合考虑努力提高修包包龄 Conference.San Nicolas,2003:395 钢包周转率的影响因素研究为炼钢一连铸过 [7 Zhang T.Study on Optimal Method of Steelmaking- 程中的钢包优化与控制提供了依据，有助于提高钢 Continuous Casting Production Planning Involved in La- 包周转率和改进钢包热状态 dle Turn-Around [Dissertation].Chongqing:Chongqing University,2009 (张涛.涉及钢包周转的炼钢一连铸生产作业计划优化方 参考文献 法研究[学位论文].重庆：重庆大学，2009) [8]Omotani M A,Heaslip L J,Mclean A.Ladle temperature [1]Yin R Y.The evolution of the metallurgical processes control during continuous casting.I&SM,1983(10):29 function and the optimization of the steel structure.Acta [9]Zhang J.EM-Plant-based Simulation and Study of ERW Metall Sin,1993,29(7):51 Enterprise Production Logistics System Dissertation]. (殷瑞钰.冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化.金属学 Beijing:University of Science and Technology Beijing 报，1993.29(7)：51) 2008 [2]Liu Q,Zhao P.Wu X D,et al.Control strategy for ladle (张洁.基于EM-Plant的直缝焊管企业生产物流系统仿真 running.J Univ Sci Technol Beijing,2005,27(2):235 研究[学位论文].北京：北京科技大学，2008) (刘青，赵平，吴晓东，等钢包的运行控制.北京科技大学 [10]Anglani A.Grieco A.Pacella M.et al.Object-oriented 学报，2005,27(2)：235) modeling and simulation of flexible manufacturing sys- [3]Liu Q,Tian N Y,Hou W Y,et al.Physical model of ladle tems:a rule-based procedure.Simul Modell Pract Theory, cycling for converter plant.J Univ Sci Technol Beijing, 2002,10(3/4):209 1999,21(4):338 [11]Li Y X.Simulation Model and Optimization Methods for (刘青，田乃媛，侯文义，等。转炉炼钢厂钢包转运的物理模 Vehicle Routing Problem Dissertation].Dalian:Dalian 型.北京科技大学学报，1999,21(4：338) University of Technology,2007 [4]Huang B F,Tian N Y,Li G S,et al.Design and imple- (李永先.车辆路径问题的仿真模型及优化方法研究学位 mentation of ladle management syetem.Metall Ind Au- 论文].大连：大连理工大学，2007)
第 8 期 蔡 峻等：炼钢厂钢包周转率的影响因素 1079 ·· 但随着产量和钢包周转数量增加，钢包周转率会产 生下降的波动，导致不同钢种钢包周转率相同，如 日产 45 和 46 炉时，SPHC 钢种和 M3A22 钢种的 钢包周转率相同. (3) 修包包龄是提高钢包周转率需考虑的一个 重要因素，提高修包包龄对钢包周转率优化作用非 常明显. 如日产 48 炉典型钢种，修包包龄由 40 增 加到 45 次时，钢包周转率提高幅度可达 2.86. 由 此，建议为优化钢包周转率，从钢包耐材和修包质 量等方面综合考虑努力提高修包包龄. 钢包周转率的影响因素研究为炼钢 — 连铸过 程中的钢包优化与控制提供了依据，有助于提高钢 包周转率和改进钢包热状态. 参 考 文 献 [1] Yin R Y. The evolution of the metallurgical processes function and the optimization of the steel structure. Acta Metall Sin, 1993, 29(7): 51 (殷瑞钰. 冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化. 金属学 报, 1993, 29(7): 51) [2] Liu Q, Zhao P, Wu X D, et al. Control strategy for ladle running. J Univ Sci Technol Beijing, 2005, 27(2): 235 (刘青, 赵平, 吴晓东，等. 钢包的运行控制. 北京科技大学 学报, 2005, 27(2): 235) [3] Liu Q, Tian N Y, Hou W Y, et al. Physical model of ladle cycling for converter plant. J Univ Sci Technol Beijing, 1999, 21(4): 338 (刘青, 田乃媛, 侯文义，等. 转炉炼钢厂钢包转运的物理模 型. 北京科技大学学报, 1999, 21(4): 338) [4] Huang B F, Tian N Y, Li G S, et al. Design and implementation of ladle management syetem. Metall Ind Autom, 2011, 35(1): 40 (黄帮福, 田乃媛，李广双，等. 钢包管理系统的设计与实 现. 冶金自动化. 2011, 35(1): 40) [5] Hong J, Li X H, Li Y S, et al. Dynamic management mode for turn-around of high efficient concasting ladle. Res Iron Steel, 2001(3): 22 (洪军, 李小虎, 李艳爽，等. 高效连铸钢包周转的动态管理 模式. 钢铁研究，2001(3): 22) [6] Keshari K, Mukhopadhyay B, Das P C. Superheat control with efficient ladle management // 14th IAS Steelmaking Conference. San Nicolas, 2003: 395 [7] Zhang T. Study on Optimal Method of SteelmakingContinuous Casting Production Planning Involved in Ladle Turn-Around [Dissertation]. Chongqing: Chongqing University, 2009 (张涛. 涉及钢包周转的炼钢 — 连铸生产作业计划优化方 法研究 [学位论文]. 重庆: 重庆大学, 2009) [8] Omotani M A, Heaslip L J, Mclean A. Ladle temperature control during continuous casting. I & SM, 1983(10): 29 [9] Zhang J. EM-Plant-based Simulation and Study of ERW Enterprise Production Logistics System [Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2008 (张洁. 基于 EM-Plant 的直缝焊管企业生产物流系统仿真 研究 [学位论文]. 北京: 北京科技大学, 2008) [10] Anglani A, Grieco A, Pacella M, et al. Object-oriented modeling and simulation of flexible manufacturing systems: a rule-based procedure. Simul Modell Pract Theory, 2002, 10(3/4): 209 [11] Li Y X. Simulation Model and Optimization Methods for Vehicle Routing Problem [Dissertation]. Dalian: Dalian University of Technology, 2007 (李永先. 车辆路径问题的仿真模型及优化方法研究 [学位 论文]. 大连: 大连理工大学, 2007)
