谷宗喜1， 徐安軍1*， 賀東風1， 吳 偉2， 劉晶波2， 韓偉剛3
(1. 北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083；2. 重慶鋼鐵集團股份有限公司，重慶 401258；3. 鋼鐵研究總院先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京 100081)
摘 要：在綜合考慮鐵水包備包生產及高爐配罐制度等因素的基礎上，建立了多功能鐵水包周轉數計算模型，即鐵水包周轉數由工藝要求數、備包數及高爐配罐富裕數組成. 依據模型計算出重鋼新區兩座高爐-兩座轉爐模式下鐵水包周轉數為16 個. 結果表明，減少鐵水包周轉數的關鍵在于減少重包和空包的“緩沖容量”，為此需優化高爐配罐制度及連澆爐數. 單一優化配罐制度及連澆爐數均可減少2 個鐵水包，聯合優化配罐制度和連澆爐數可減少4 個鐵水包.
關 鍵 詞：鐵水包；周轉數；計算模型；緩沖容量
1 前 言
多功能鐵水包模式，即“一包到底”模式，是指高爐(Blast Furnace, BF)出鐵、鐵水運輸、鐵水預處理及向轉爐(Basic Oxygen Furnace, BOF)兌鐵均使用同一個鐵水包，中途不倒包. 鐵水包周轉頻率和周轉數合理化研究是鐵水包多功能集成技術包的重要研究內容[1]，首鋼京唐[2]、重鋼新區[3]等大型鋼廠“鐵鋼界面”已經實施該技術，顯示出良好的經濟技術效果，但在生產運行中均存在周轉數較多、周轉時間較長等問題，影響“鐵鋼界面”動態有序運行. 從理論及實踐角度均需解決合理調控鐵水包周轉數的問題. 多功能鐵水包模式使原僅限于煉鋼工序內部的全連鑄生產組織管理延伸到了煉鐵工序，鐵水包周轉過程受高爐出鐵及連鑄連澆等生產約束，目前針對鐵水包(魚雷罐)周轉數的研究均未綜合考慮各類約束條件對鐵水包周轉運行的影響，如供需平衡法[4]、排隊論法[5]、仿真法[6]、基于生產計劃的方法[7]等，目前尚未有新方法用于計算鐵水包周轉數[8]. 多功能鐵水包周轉過程與鋼包周轉過程類似，對多功能鐵水包周轉數及控制模型研究均較少[9]，對鋼包的相關研究較多[10-14].本工作綜合考慮鐵水包周轉過程備包生產及配罐制度等因素，以緊湊型“鐵鋼界面”布置的重鋼新區為研究對象，建立了多功能鐵水包周轉數計算模型，提出減少鐵水包周轉數的生產措施，研究結果對多功能鐵水包模式下合理配置鐵水包周轉數、加強鐵水包周轉運行管控均有一定的參考價值.
2 重鋼鐵水包周轉過程解析
重鋼“鐵鋼界面”目前有3 座高爐(1#~3#高爐均為2500 m3)、3 座KR(Kanbara Reactor)脫硫站和3 座230 t轉爐，采用起重機+過跨車模式運送鐵水包，圖1 為其平面布置示意圖，圖2 為鐵水包周轉過程示意圖，其中實線表示重包周轉過程，虛線表示空包周轉過程.
本工作提出用工藝要求時間表征鐵水包周轉過程中工序處理及轉運必須時間，通過解析重鋼鐵水包周轉過程，得出鐵水包周轉工藝要求時間如表1 所示，表中t1~t9 為鐵水包周轉各階段工藝要求時間(min)，theavy 為重包周轉工藝要求時間，包含出鐵時間t1、出鐵結束運輸至KR 脫硫站時間t2、KR 脫硫時間t3、KR 脫硫結束至加料跨時間t4、加料跨吊起至兌鐵時間t5、兌鐵時間t6；tempty 為空包周轉工藝要求時間，包含兌鐵結束吊運至加料跨時間t7、加料跨至轉運跨時間t8、轉運跨至高爐出鐵口時間t9. 由表1 可知，theavy=113 min，tempty=30 min.
“一包到底”模式使原僅限于煉鋼工序內部的全連鑄生產組織管理延續到了煉鐵工序，鐵鋼工序相互牽制，鐵水包周轉運行需保證高爐出鐵安全及連鑄連澆. 為保證高爐出鐵安全，需考慮高爐配罐制度，即需在高爐出鐵前預備若干數量空包[15]，重鋼新區當前配罐制度為“3+1+X”，其中3 指3 個鐵水包空包，1 為上一出鐵批次的尾包，X 為依據高爐出鐵波動需投入的鐵水包個數，正常生產條件下，在每個出鐵計劃執行前，高爐出鐵口均需準備3 個空包，上一個出鐵計劃剩余的尾包加入本次出鐵計劃. 為保證連鑄連澆，需考慮鐵水包備包生產，即需在轉爐冶煉前保證適度的鐵水囤積量[16]，目前兩高爐-兩轉爐模式下，煉鋼廠鐵水積壓到6 包時，應安排兩條線同時生產，嚴禁煉鋼廠積壓鐵水到8 包時不安排兩條線同時生產.
3 鐵水包周轉數計算模型
通過對鐵水包周轉過程的分析可知，工序處理及鐵水包轉運時間一般較穩定，而備包及出鐵前等待時間不固定，主要受冶煉計劃和出鐵計劃影響. 基于以上分析，鐵水包周轉時間由工藝要求時間、備包時間及高爐出鐵口前等待時間3 部分構成. 本工作提出鐵水包周轉數計算模型，即周轉數由工藝要求數、備包數和配罐富裕數組成.
3.1 模型數學表達
模型假設條件：(1) 忽略高爐、預處理、轉爐等工序生產波動，其中高爐每批次出鐵包數固定，出鐵連續進行，沒有尾包，且高爐鐵水無鑄鐵；(2) 鐵水包轉運時間穩定，波動較小；(3) 為方便建模，假設高爐與轉爐一一對應；(4) 轉爐與連鑄工序爐機匹配，轉爐冶煉時間隨連鑄澆注時間微調，煉鋼計劃開始時間不出現延遲；(5) 轉爐冶煉計劃間隔時間固定，由鐵水包最長備包時間決定.
模型約束條件：(1) 鐵水包備包數滿足連澆需求；(2) 高爐出鐵口前空包數需滿足出鐵計劃需求.
模型數學表達式：
式中，nladle 為鐵水包周轉數(個)， 
為工藝要求周轉數(個)， 
為必要備包數(個)， 
為配罐富裕數(個)，
為轉爐兩個冶煉計劃間歇時間(min)，tBF 為高爐出鐵時間(min)，tBOF 為轉爐冶煉時間(min)，
為連澆爐數為n 轉爐冶煉第m 爐時必要備包時間(min)，n 為連鑄機連澆爐數，m 為轉爐冶煉次序號(爐)，tint 為鐵水包工藝要求時間(min)， 
為高爐第m 包鐵水積壓時間(min)，也是轉爐冶煉計劃爐數(爐)，q 為高爐第m 包鐵水兌鐵結束再次接鐵的出鐵序號，與備包時間和配罐制度有關，其中qm0 為鐵水包初次投入接鐵的出鐵序號，
為鐵水包到達出鐵口至出鐵前平均等待時間(min).
不同于鋼包周轉過程，鐵水包周轉過程必須保證高爐出鐵安全，且多座轉爐冶煉爐次重疊時間較長，鐵水包幾乎無互用現象，基本可認為多座高爐-多座轉爐模式所需鐵水包數等同于高爐-轉爐“一一對應”模式所需包數之和[16,17]. 模型充分考慮了高爐出鐵安全及連鑄連澆需求，能較好描述鐵水包實際周轉過程.
3.2 模型應用
應用模型計算重鋼新區鐵水包周轉數. 重鋼高爐出鐵平均時間tBF 為52 min，轉爐冶煉時間44~50 min，冶煉時間參考后續連鑄澆注時間微調. 選擇1#、2#連鑄機產能最大鋼種AFT702 和BFT703，計算兩高爐-兩轉爐模式下的鐵水包周轉數. 參考2013 年4~9 月生產數據，設定計算參數如表2 所示，其中連澆爐數取平均值.
按照模型分別計算1#高爐-1#轉爐、2#高爐-2#轉爐一一對應模式下鐵水包周轉數. 將表1 和2 相關參數帶入式(2), (3), (5)，得到重鋼新區當前鐵水包周轉數如表3 所示，依據模型繪制1#高爐-1#轉爐鐵水包周轉運行甘特圖如圖3 所示，其中重包時間包含t1, t2, t3, t4, 
,t5，轉爐兌鐵時間為t6，空包時間包含t7, t8, t9, 
.
由表3 可知，重鋼新區兩高爐-兩轉爐模式下鐵水包周轉數為16 個. 由圖3 可看出，鐵水包周轉過程呈現周期性循環的特點，重包備包時間
=0~152 min，
=76 min. 空包等待時間
=118~270 min，
=194 min，由此可知鐵水包周轉過程滿足出鐵安全需求.依照上述模式生產，高爐作業率為100%，轉爐作業率為84.61%，實際生產中高爐作業率為97.19%，轉爐為82.07%(2013 年4~9 月). 模型計算重鋼新區兩座高爐-兩座轉爐模式鐵水包周轉數為16，實際生產中考慮生產擾動等影響因素，鐵水包周轉數為19. 對比高爐與轉爐工序作業率及模型計算與生產數據，可知所建模型與實際生產基本相符，可用于指導鐵水包周轉數的配置.
4 鐵水包周轉數量優化
多功能鐵水包周轉過程可認為是在“鐵鋼界面”循環運行的閉環串行生產線，考慮備包生產及高爐配罐，鐵水包周轉有兩個關鍵的緩沖區，即空包緩沖區和重包緩沖區，“鐵鋼界面”生產組織的主要目的是盡可能減少鐵水包等待數并保證“鐵鋼界面”生產連續運行[16].對于鐵水包周轉串行生產線，需分配合理的緩沖區容量以保證正常生產[17,18]. 實際生產中，工序處理及運輸等工藝要求時間較穩定，優化鐵水包周轉數的關鍵在于減少高爐出鐵口空包等待時間及備包時間，從而優化空包和重包緩沖容量.
4.1 空包緩沖容量的優化
空包緩沖容量的優化應優化高爐配罐制度，實際生產中應將高爐空包配罐制度由“3+1+X”改為“2+1+X”，即在每個出鐵計劃開始前，高爐出鐵口前空包數由3 減少為2. 優化配罐制度前后鐵水包周轉數量變化見表4.
4.2 重包緩沖容量的優化
重包緩沖容量的優化應合理安排煉鋼計劃，避免因煉鋼計劃延遲造成的不必要的備包，并選擇合理的連鑄機澆注周期和連澆爐數. 模型假定煉鋼計劃無延遲，即忽略由于煉鋼計劃延遲或不合理造成的備包數增加，且對于特定鋼種其澆注周期基本固定，確定合理連澆爐數即可優化重包緩沖容量. 優化連澆爐數應從煉鐵煉鋼綜合成本損失最小的角度核算，即計算由于鐵水包備包造成的成本損失與煉鋼綜合成本損失，所得經濟平衡點即為綜合成本損失最低的連澆爐數. 重鋼現場依據煉鐵煉鋼綜合成本核算，針對典型鋼種給出指導性建議，AFT702 和BFT703 的連澆爐數以15~16 爐為宜，優化的連澆爐數設為16 爐. 優化連澆爐數前后鐵水包周轉數量變化見表4.
4.3 結果分析
由以上分析可知，影響鐵水包周轉數量的關鍵因素為高爐配罐制度及連鑄機連澆爐數，鐵水包周轉數量優化主要從優化配罐制度和連澆爐數兩個方面采取措施.表4 為配罐制度和連澆爐數單一優化及聯合優化前后鐵水包周轉數對比，依據模型繪制1#BF-1#BOF 模式聯合優化鐵水包周轉運行甘特圖如圖4 所示.
由表4 可知，配罐制度和連澆爐數單一優化時，兩座高爐-兩座轉爐模式下鐵水包周轉數均可減少2 個；聯合優化時，鐵水包周轉數量可減少4 個. 依據模型繪制單一優化及聯合優化情況下鐵水包周轉運行甘特圖，可知無論單一優化還是聯合優化，鐵水包均可滿足高爐出鐵及連鑄連澆需求. 由圖4 聯合優化甘特圖可看出，重包備包時間
=0~120 min， 
=60 min；空包等待時間
=46~166 min， 
=106 min，配罐制度和連澆爐數聯合優化與未優化前相比，
減少16 min，
減少88 min.
減少鐵水包周轉數，需一方面優化高爐配罐制度，減少空包緩沖容量，即減少高爐出鐵口空包等待數；另一方面需合理設定煉鋼計劃，合理選擇連鑄機澆注周期和連澆爐數，減少重包“緩沖容量”，即減少鐵水包備包數.
5 結 論
針對多功能鐵水包模式下鐵水包周轉運行須滿足高爐出鐵及連鑄連澆等生產約束的生產現狀，提出了同時考慮高爐配罐制度和鐵水包備包的鐵水包周轉數的計算模型，應用模型計算了重鋼新區鐵水包周轉數，研究了鐵水包周轉數的優化方法，得到以下結論：
(1) 鐵水包周轉數由工藝要求周轉所需數、備包數及配罐富裕數組成.
(2) 優化鐵水包周轉數的關鍵在于優化空包和重包緩沖容量，實際生產中可采取優化高爐配罐制度和連澆爐數的生產措施，兩座高爐-兩座轉爐模式下，模型計算的單一優化配罐制度及連澆爐數均可減少2 個鐵水包，聯合優化配罐制度和連澆爐數可減少4 個鐵水包.
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