特殊煉鋼冶煉-連鑄調(diào)度策略研究

特殊煉鋼冶煉-連鑄調(diào)度策略研究

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和市場競爭的加劇，鋼鐵工業(yè)將朝著高效、低效、穩(wěn)定生產(chǎn)的方向發(fā)展。生產(chǎn)計劃和規(guī)劃在提高扎里循環(huán)生產(chǎn)過程中起著重要作用。這是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)管理系統(tǒng)的核心功能。鋼屑生產(chǎn)連鑄帶在鋼產(chǎn)量生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。鐵水通過精煉裝置、連鑄機形成鋼渣。生產(chǎn)計劃的目標(biāo)是通過制定合理的生產(chǎn)計劃，充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源，減少等待的時間，消除生產(chǎn)過程中的操作沖突，并進行最大的連鑄機連接和功率。除了一般機械工業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度限制外,由于鋼鐵生產(chǎn)在高溫下進行,發(fā)生由液態(tài)鋼水到固態(tài)鋼坯的轉(zhuǎn)變,再加上物質(zhì)量和時間等嚴格的連續(xù)性要求,使得煉鋼-連鑄調(diào)度問題非常復(fù)雜.近年來,國內(nèi)外學(xué)者對鋼廠計劃調(diào)度問題進行了大量研究.文獻采用動態(tài)模擬對從連鑄到熱軋的調(diào)動實踐進行了評估,通過及時更新調(diào)度計劃,達到穩(wěn)定生產(chǎn)、提高能源效率的目的;為消除調(diào)度順行與提高能源效率之間的沖突,文獻將智能體方法應(yīng)用于鋼鐵制造系統(tǒng),使得操作簡捷易行,經(jīng)濟效益提高;文獻采用一種啟發(fā)式算法,達到了提高鋼廠生產(chǎn)效率、減少產(chǎn)品滯留時間的目的;針對煉鋼-連鑄調(diào)度問題,文獻提出一種HANO算法;文獻將拉格朗日松弛法應(yīng)用于煉鋼-連鑄-熱軋生產(chǎn)調(diào)度模型中,并進行了大規(guī)模復(fù)雜調(diào)度問題的求解;文獻采用遺傳算法來解決煉鋼廠的煉鋼-連鑄調(diào)度問題,滿足了生產(chǎn)實際的需求:文獻建立了一個將溫度預(yù)測和生產(chǎn)調(diào)度集成的模型,使得鋼水質(zhì)量合格、連鑄連澆及達到節(jié)約能源的目的.上述研究對于一般情形下的鋼鐵生產(chǎn)調(diào)度問題的性質(zhì)與方法進行了有益的探索.然而對于特殊鋼廠,由于鋼種及其工藝路線的嚴格限制,增加了調(diào)度的難度,使得已有的智能算法在模型求解過程中并不能很好的應(yīng)用.本文針對特殊鋼廠的實際調(diào)度問題,建立了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型.模型經(jīng)過靜態(tài)調(diào)度得出初始調(diào)度計劃;而當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常時,采用動態(tài)調(diào)度策略對初始調(diào)度計劃進行調(diào)整.最后以國內(nèi)某特殊鋼廠煉鋼-連鑄調(diào)度計劃的制定實例來驗證模型的有效性.1連通性-精煉連通性生產(chǎn)計劃模型1.1特殊鋼煉鋼生產(chǎn)的基本情況和主要設(shè)備生產(chǎn)調(diào)度實質(zhì)上是在批量計劃的基礎(chǔ)上得出生產(chǎn)調(diào)度計劃,是生產(chǎn)作業(yè)計劃的執(zhí)行及其調(diào)整過程.鋼廠煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度是指根據(jù)生產(chǎn)計劃,確定各個澆次計劃在相應(yīng)連鑄機上的開澆時刻以及各個爐次計劃在相應(yīng)設(shè)備上作業(yè)開始及結(jié)束時刻,即生產(chǎn)調(diào)度計劃:同時,執(zhí)行生產(chǎn)調(diào)度計劃,并根據(jù)實際生產(chǎn)過程中的不確定性因素,對其進行重新編排的過程.調(diào)度的目標(biāo)是使各生產(chǎn)爐次在各工序上時間、溫度和成分符合要求,生產(chǎn)高效、低耗、連續(xù)和穩(wěn)定運行.特殊鋼廠煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程主要包括冶煉、二次冶金(精煉)和連鑄三個工序,生產(chǎn)鋼種主要有常規(guī)鋼和品種鋼.由于在生產(chǎn)不同的鋼種時,需要采用不同的精煉設(shè)備,使得特殊鋼廠具有多條工藝路線.此外,不同連鑄機生產(chǎn)不同鋼種時,對應(yīng)的中間包壽命(一個中間包所能生產(chǎn)的最大爐次數(shù))也不相同,因此,特殊鋼廠煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程具有設(shè)備多、模式多、路線多和擾動多的特點,致使調(diào)度過程制約條件眾多.特殊鋼廠煉鋼-連鑄生產(chǎn)工藝流程及主要設(shè)備如圖1所示(本文不考慮模鑄).由于生產(chǎn)鋼種的不同,煉鋼廠冶煉工序生產(chǎn)設(shè)備可能為轉(zhuǎn)爐或電爐,精煉工序生產(chǎn)設(shè)備可能為Ar站、LF或VD或RH或VOD等,連鑄工序生產(chǎn)設(shè)備為連鑄機.其中,BOF(basicoxygenfurnace)為轉(zhuǎn)爐,EAF(electricarcfurnace)為電弧爐,Ar站(argonblowingstation)為氬站,LF(ladlefurnace)為鋼包精煉爐,RH(RuhrstahlHeraeus)為循環(huán)真空脫氣設(shè)備,VD(vacuumdegassing)為真空脫氣設(shè)備,VOD(vacuumoxygendecarburization)為真空吹氧脫碳設(shè)備,CC(continuouscaster)為連鑄機.1.2供應(yīng)狀況與作業(yè)周期的關(guān)系鋼鐵制造流程是一個復(fù)雜過程系統(tǒng),鋼鐵生產(chǎn)過程是一個準(zhǔn)連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程.在煉鋼廠實際生產(chǎn)過程中,充足的原材料供應(yīng)、穩(wěn)定的設(shè)備狀況是生產(chǎn)穩(wěn)定、順行的前提.通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),煉鋼廠的各生產(chǎn)設(shè)備的作業(yè)周期都會在一定范圍內(nèi)波動.為此,作如下假設(shè):(1)生產(chǎn)穩(wěn)定,鐵水供應(yīng)充足;(2)各設(shè)備運行正常,無故障:(3)生產(chǎn)澆次計劃已知(澆次數(shù)已知,各澆次內(nèi)爐次數(shù)已知).1.3cc1工藝參數(shù)主要包括為敘述方便,引入下列符號:LT(ladleturret)—鋼包回轉(zhuǎn)臺;m—總澆次數(shù);n—總爐次數(shù);L—總設(shè)備數(shù);i—澆次號,i=1,2,…,m;ni—第i澆次所包含的爐次數(shù),滿足;j—爐次號,j=1,2,…,ni;k—工序代碼,k=1,2,3(分別對應(yīng)冶煉、精煉和連鑄工序);l—設(shè)備號,l=1,2,…,L;ci—澆次i由于生產(chǎn)所對應(yīng)的煉鋼爐不同,被分成的區(qū)間個數(shù);ni,Ci—澆次i被分成的第ci區(qū)間內(nèi)所包含爐次數(shù);—第i澆次第j爐次在工序k作業(yè)開始時刻;—第i澆次第j爐次在工序k實際作業(yè)開始時刻:—第i澆次第j爐次在工序k作業(yè)結(jié)束時刻;—第i澆次第j爐次在工序k實際作業(yè)結(jié)束時刻;—第i澆次第j爐次在工序k作業(yè)周期;—第i澆次第j爐次在工序k的最大作業(yè)周期;—第i澆次第j爐次在工序k實際作業(yè)周期;—鋼包回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時間;—回轉(zhuǎn)臺待澆時間;—CC1的澆注周期(CC1指1號連鑄機);—第k-1工序到第k工序間的運輸時間(k=2,3):—第i澆次的計劃開澆時刻;tEA—同一臺連鑄機生產(chǎn)澆次之間的設(shè)備調(diào)整時間;—同一臺連鑄機生產(chǎn)澆次之間的實際設(shè)備調(diào)整時間;—同一設(shè)備上第j爐次結(jié)束時刻與下一爐次開始時刻間的實際間隔時間.1.4目標(biāo)函數(shù)及約束條件在澆次計劃的基礎(chǔ)上,基于以上問題描述及模型假設(shè),建立如下煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度模型.式(1)是基于縮短整個煉鋼-連鑄過程生產(chǎn)計劃的生產(chǎn)時間建立的目標(biāo)函數(shù);式(2)是基于縮短過程等待時間建立的目標(biāo)函數(shù)(過程等待時間指生產(chǎn)過程中除了各設(shè)備作業(yè)時間及工序間運輸時間之外的非生產(chǎn)時間);式(3)是基于提高冶煉工序作業(yè)率而建立的目標(biāo)函數(shù).式(4)～(10)為目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的約束條件.其中,式(4)表示某一爐次在某—工序作業(yè)結(jié)束時刻早于其在下一工序作業(yè)開始時刻;式(5)表示各設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)約束;式(6)和式(7)表示一臺設(shè)備不能同時生產(chǎn)多個爐次:式(8)為設(shè)備析取約束;式(9)為同一個澆次內(nèi)不同爐次之間滿足連鑄機連澆約束;式(10)表示連鑄機生產(chǎn)的不同澆次之間有一個設(shè)備調(diào)整時間.在煉鋼-連鑄調(diào)度模型的基礎(chǔ)上,利用靜態(tài)調(diào)度策略,可以對模型進行求解得出合理的調(diào)度時刻表,并且當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常時,根據(jù)動態(tài)調(diào)度策略,能夠采取相應(yīng)的處理措施,從而使實際調(diào)度過程高效、穩(wěn)定地進行.2按“能耗最小”原則確定作業(yè)周期鋼廠生產(chǎn)系統(tǒng)的運行,應(yīng)遵循基本的運行原則,主要包括“爐機對應(yīng)”原則、“能耗最小”原則、“拉速決定流量”原則、“連澆”原則.根據(jù)“爐機對應(yīng)”原則,在煉鋼系統(tǒng)中,主要生產(chǎn)工序——煉鋼工序和連鑄工序,應(yīng)確立明確的對應(yīng)關(guān)系,才能使生產(chǎn)模式簡捷優(yōu)化,生產(chǎn)組織便利順暢.根據(jù)“能耗最小”原則,應(yīng)充分利用調(diào)度功能,減少各工位鋼水等待時間以及鋼水在不同工位之間的運輸時間.另外,由于連鑄機的開機需要較大的花費,因此在保證鋼水成分、溫度合格的前提下,應(yīng)盡量實現(xiàn)多爐連澆.煉鋼車間保證全部連鑄機能夠?qū)崿F(xiàn)多爐連澆的必要條件是冶煉工序的生產(chǎn)能力大于連鑄工序的生產(chǎn)能力.各設(shè)備作業(yè)周期范圍可通過對生產(chǎn)過程各工位作業(yè)時間的解析得到.在無作業(yè)沖突的情況下,全部采用最小作業(yè)周期;若遇到作業(yè)沖突,各作業(yè)周期應(yīng)采用能夠消除沖突的最小值.這樣即可達到在無沖突情形下縮短過程生產(chǎn)時間和等待時間的目標(biāo).實際生產(chǎn)中,爐機匹配關(guān)系應(yīng)遵循“爐機對應(yīng)”原則.根據(jù)煉鋼爐(本文以轉(zhuǎn)爐為例)和連鑄機作業(yè)周期的不同對應(yīng)關(guān)系,“爐機對應(yīng)”下的生產(chǎn)模式可分為“一爐對一機”和“定爐對定機”生產(chǎn)模式.各生產(chǎn)模式下的模型求解方法,下面分別予以闡述.2.1最大爐數(shù)連澆型若各轉(zhuǎn)爐的冶煉周期短于對應(yīng)連鑄機的澆注周期,則可實現(xiàn)“一爐對一機”的簡捷生產(chǎn)模式,如圖2所示.其中,SR(secondaryrefining)為二次冶金設(shè)備,BOF1為1號轉(zhuǎn)爐,其余類同.對于這種較為簡單的模式,在按中間包使用壽命生產(chǎn)的前提下,各連鑄機可以實現(xiàn)最大爐數(shù)連澆.結(jié)合式(9)和式(10)及以下各式,各工序作業(yè)時刻可由連鑄工序逆向倒推計算.2.2生產(chǎn)方法及爐次如果一個煉鋼車間至少存在一個轉(zhuǎn)爐,其冶煉周期長于對應(yīng)連鑄機的澆注周期,而其余轉(zhuǎn)爐的冶煉周期短于對應(yīng)連鑄機的澆注周期,若要實現(xiàn)所有連鑄機盡可能多爐連澆,則需要在各轉(zhuǎn)爐之間平衡生產(chǎn)能力.由于不同澆次鋼水的生產(chǎn)設(shè)備(如轉(zhuǎn)爐)可能相同,使得不同澆次之間會有一定的相互影響.因此,不同連鑄機生產(chǎn)的各澆次鋼水都存在合理的開澆時刻.這種情形下的生產(chǎn)模式即為“定爐對定機”模式.圖3為一類典型的“定爐對定機”生產(chǎn)模式,該模式下的某煉鋼車間有兩座轉(zhuǎn)爐,兩個Ar站,一座LF,兩臺連鑄機,生產(chǎn)鋼種有常規(guī)鋼(工藝路線為BOF→Ar站→CC)和品種鋼(工藝路線為BOF→LF→CC).此種生產(chǎn)模式較為復(fù)雜,其中BOF1的冶煉周期短于CC1的澆注周期(BOF1的生產(chǎn)能力大于CC1的生產(chǎn)能力),BOF2的冶煉周期長于CC2的澆注周期(BOF2的生產(chǎn)能力小于CC2的生產(chǎn)能力).因此,若要滿足兩臺連鑄機均能多爐連澆,需要平衡兩座轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)能力.生產(chǎn)方法為:BOF1主要為CC1提供鋼水,同時為滿足CC2連澆,還要為CC2提供一部分鋼水;BOF2全部為CC2提供鋼水.因此,BOF1與BOF2所生產(chǎn)爐次被劃分為多個區(qū)間,每個區(qū)間爐次數(shù)可由以下各式確定(以澆次1、2為例,假設(shè)將澆次1安排到CC1生產(chǎn),澆次2安排到CC2生產(chǎn);本文僅給出BOF1與BOF2前兩區(qū)間的爐次數(shù)計算公式,后續(xù)各區(qū)間所含爐次數(shù)計算方法與之相同).現(xiàn)對以上各式作簡單說明.CC2所生產(chǎn)爐次鋼水主要由BOF2提供,但BOF2冶煉周期長于CC2澆注周期,故需增加過程緩沖時間來保證CC1與CC2連澆.n2,1為在緩沖時間范圍內(nèi)由BOF2所生產(chǎn)最大爐次數(shù),第n2,1+1爐則改由BOF1提供,第n2,1+2～n2,1+n2,2+1爐則繼續(xù)由BOF2提供,其余含義相同.因為CC1的澆注周期長于BOF1冶煉周期,所以BOF1能夠提供一部分鋼水供CC2.n1,1為BOF1提供給CC2第一爐鋼水之前,需要提供給CC1的爐次數(shù).因此,CC1與CC2存在合理的開澆時刻,CC1的開澆時刻可根據(jù)CC2的開澆時刻進行確定.為BOF1提供給CC2的爐次總數(shù).設(shè)定CC2的開澆時刻,由以下各式可得出CC1合理的開澆時刻:根據(jù)式(11)～(13),可由計算得出,則CC1的開澆時刻可通過下式計算:再結(jié)合式(11)～(13),各爐次在各設(shè)備上的作業(yè)時刻即可確定.3生產(chǎn)系統(tǒng)故障的調(diào)度實際生產(chǎn)過程中,原定的生產(chǎn)計劃常常會由于異常而不能被嚴格執(zhí)行,需要實時調(diào)整.動態(tài)調(diào)整的目標(biāo)是盡量滿足連鑄機連澆,利用緩沖設(shè)備處理生產(chǎn)過程異常狀況,盡量減少對原定計劃的修改.實際生產(chǎn)情況的多變性和不穩(wěn)定性,使得動態(tài)調(diào)度非常困難.在鋼鐵生產(chǎn)過程中,動態(tài)調(diào)度問題受諸多因素的影響,具有多目標(biāo)、多約束的特點,需要根據(jù)對各設(shè)備運行狀況的監(jiān)控,快速應(yīng)對設(shè)備故障等異常情況.生產(chǎn)過程的隨機擾動因素很多,有任務(wù)擾動、設(shè)備擾動、生產(chǎn)工藝擾動和時間擾動等.調(diào)度規(guī)則由于具有計算量小、效率高和實時性好等優(yōu)點,適用于動態(tài)調(diào)度.為此,可根據(jù)各鋼廠具體情況,按照現(xiàn)場生產(chǎn)的經(jīng)驗,建立針對不同異常情況下所采取處理策略的方法庫.當(dāng)遇到異常情況時,可根據(jù)方法庫中的對策進行相應(yīng)的處理,以提高運行效率,減少生產(chǎn)中斷.同樣,在生產(chǎn)系統(tǒng)維護過程中,也應(yīng)采取一定的措施協(xié)調(diào)煉鋼-連鑄工序集之間的關(guān)系,調(diào)控系統(tǒng)運行節(jié)奏,使生產(chǎn)穩(wěn)定有序運行,在煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程中,經(jīng)常會發(fā)生擾動,原定的作業(yè)計劃可能需要經(jīng)常調(diào)整.在實際調(diào)度過程中,減少對原定調(diào)度計劃的修改能夠使整個煉鋼廠生產(chǎn)穩(wěn)定順行,而生產(chǎn)爐次的設(shè)備變更無疑會增加設(shè)備調(diào)整費用,并且需要重新調(diào)整生產(chǎn)計劃,對生產(chǎn)帶來不穩(wěn)定因素.因此,在調(diào)度過程中,若設(shè)備未出現(xiàn)故障,應(yīng)盡量不調(diào)整各爐次生產(chǎn)設(shè)備.針對不同的擾動,應(yīng)采取如下調(diào)度規(guī)則進行調(diào)整.規(guī)則1若某一爐次出鋼時刻延遲,延遲時間在精煉工序緩沖范圍內(nèi),即滿足則利用精煉工序進行緩沖,而不改變連鑄工序作業(yè)時刻和后續(xù)爐次作業(yè)時刻.規(guī)則2若某一爐次出鋼時刻延遲,延遲時間不在精煉工序緩沖范圍內(nèi),即不滿足式(24),則該爐次在經(jīng)過精煉工序緩沖后,再通過降低前一爐次在連鑄機的拉速,通過連鑄工序進行緩沖:后續(xù)爐次在各工序作業(yè)時刻需要相應(yīng)延遲.同一爐次不同工序間的作業(yè)時刻按式(27)進行調(diào)整,同一設(shè)備上同一澆次及相鄰澆次的前后爐次之間的作業(yè)時刻可分別按式(28)和(29)進行調(diào)整.規(guī)則3若某一爐次出鋼延遲時間大于精煉工序和連鑄工序緩沖時間之和,即滿足則連鑄機停澆.規(guī)則4若某一爐次在連鑄機上作業(yè)結(jié)束時刻延遲,則此設(shè)備上后續(xù)爐次作業(yè)時刻相應(yīng)延遲,可按式(27)～(29)進行調(diào)整.規(guī)則5由于各澆次開澆時,中間包內(nèi)襯溫度比鋼水溫度低,需要吸收熱量,因此各澆次開澆第一爐次,需要根據(jù)不同的鋼種相應(yīng)提高出鋼溫度;由于提高出鋼溫度而造成的煉鋼爐作業(yè)周期延長、出鋼時刻延遲,可按規(guī)則1、2和3進行判斷,對生產(chǎn)計劃作出相應(yīng)調(diào)整.規(guī)則6若某一爐次在某一工序上作業(yè)結(jié)束時刻提前,則在生產(chǎn)允許范圍內(nèi),可通過減少過程等待時間,提前下一工序開始作業(yè)時刻,并調(diào)整后續(xù)爐次作業(yè)時刻,以加快生產(chǎn)節(jié)奏,增加產(chǎn)量.下一工序作業(yè)開始時刻調(diào)整方法為后續(xù)爐次作業(yè)時刻按式(27)～(29)進行調(diào)整.根據(jù)以上調(diào)整規(guī)則,通過實時調(diào)整調(diào)度計劃,則可達到動態(tài)調(diào)度的目的.4生產(chǎn)模式優(yōu)化根據(jù)前文所述的模型及求解方法,以某特鋼廠轉(zhuǎn)爐-連鑄生產(chǎn)工藝流程為背景,對模型進行仿真檢驗.該鋼廠有三座轉(zhuǎn)爐、三個氬站(一個備用)、兩座LF和三臺連鑄機,生產(chǎn)鋼種有常規(guī)鋼和品種鋼.本文采用MicrosoftVisualC#語言進行仿真,實驗環(huán)境為Pentium(R)Dual-CoreCPU/3.20HZ/2.00GB/Windows7.生產(chǎn)品種鋼時需要經(jīng)過LF工序精煉;若生產(chǎn)常規(guī)鋼,鋼水只進行吹A(chǔ)r精煉.實際生產(chǎn)過程沒有固定的模式,通過對生產(chǎn)流程的深入解析,本文對其生產(chǎn)模式進行優(yōu)化,采用如圖4所示的較為簡捷合理的生產(chǎn)模式.本文對三臺連鑄機(各生產(chǎn)一個澆次)同時進行生產(chǎn)的情況進行仿真實驗.其中1號澆次為CC1所生產(chǎn)澆次,包含15個爐次,生產(chǎn)鋼種為SUP9(品種鋼);2號澆次為CC2所生產(chǎn)澆次