图 1钢包使用过程
炼钢生产过程中，转炉与连铸之间通过钢包进行钢水运输，并完成炉外精炼任务，其中钢包的周转效率是衡量炼钢生产效能的主要指标之一。由于温度损失为温度损失速率与时间的乘积，最大限度缩短钢水在转炉与连铸之间的传递时间，可达到减少温度损失、降低成本的目的[1]。钢包既是运输钢水的重要载体，又是炉外精炼的容器，合理的钢包周转数量及有效的运行控制是实现炉机匹配的基础，对保持连铸机恒拉速浇铸、提高炼钢厂运行效率具有重要意义[2]。李勤等[3]对钢包周转运行的各个阶段进行分析，通过理论计算与实践生产相结合，制定合理的生产工艺路径及钢包周转制度；李公田[4]、肖茂元等[5]、黄帮福等[6]、石鑫越等[7]提出钢包周转效率提高会导致热损失降低的结论；杨明清等[8]提出配合应用行车定位技术和钢包管理系统，实现了钢水浇铸的温度稳定性及生产过程的提质增效；张启东等[9]、刘炜[10]在应用实践方面探究钢包智能管理技术，发现钢包智能管理系统能够提高转炉冶炼终点炉后钢水温度的命中率。本文从炼钢厂生产实践出发分析钢包配包中存在的问题，探究适合实际生产情况的钢包智能配包方案，以满足高效的生产需求，进而降低能耗。由于鞍钢集团本钢板材炼钢厂在同一厂房内的转炉数量、精炼处理工位数量、连铸机数量在国内外均为最高，导致实际生产组织难度极大，基于当前实际生产情况提出的智能配包方案，可以有效解决复杂生产条件下的配包问题，降低配包难度，且在业内普适性较强，具有较高的参考及实际应用价值。
目前，板材炼钢厂有7台转炉、11个精炼处理位、8台连铸机、8台倾翻机等主要工艺设备，设备数量多且布局较分散，钢包日常使用数量较多（通常为26~32个），复杂的工艺导致钢包很难实现高效周转。由于生产品种较多、铸机型式不一致、浇注周期存在差异等多重因素，新旧区转炉与铸机在生产匹配上存在交叉情况，同时考虑到设备定修等因素的影响，使得钢包使用面临技术要求高、操作难度大等问题。除此之外，钢包每次使用前需考虑与之相关的所有信息，包括耐材的寿命、前一炉铸机生产的钢种、成分以及是否脱硫、含磷等情况。炉次钢种成分对钢包的使用要求、天车的作业状态、倾翻机的处理状态等信息数据的掌握与传递，均需调度人员通过电话、对讲等方式与原料、钢包、天车、精炼、铸机等工序的工作人员沟通联系并确认信息，部分数据甚至需要耗时查询。该过程涉及信息量大，时间滞后性强，人为干扰因素多，人员素质和能力直接影响生产系统运行，且操作步骤繁琐，极易出现错误。钢包在使用过程中还涉及更换渣罐、钢包交修、废料排放、地坑清理、渣钩额头定位以及大车引流剂添加等相关工作，这些均需通过调度协调吊车执行，进一步增加钢包周转的难度。如果钢包无法高效周转，不仅会导致钢包区域的匹配工作滞后或出现钢包积压的问题，还会影响转炉和铸机的生产顺行，引发连锁反应，降低生产效率，同时会因钢包滞留增加生产成本。
1. 钢包配包过程及存在问题
1.1 钢包配包过程
人工需根据经验确定钢包使用数量，先确认倾翻机处钢包是否完成处理并具备使用条件，再通过系统查询转炉吹炼是否需要钢包，然后查询钢包上次使用的钢种是否满足本炉次要求，最后根据人工记录的耐材使用寿命，安排钢包坐入转炉钢包车。此流程中，配包准确率受岗位人员素质影响较大，班组操作差异性显著，时常出现因钢包因素影响生产的情况。钢包使用过程见图1。
下载:1.2 存在的主要问题
由于存在8台连铸机（包括双流、单流），且薄板坯铸机需考虑钢水钙处理对滑板使用的影响，再加上浇钢周期不一致，导致钢包使用量波动较大。人员操作的差异性进一步加剧生产不均衡，此类影响生产的情况时常发生。钢种成分的差异性也会干扰生产，成分相差较大的钢包若混用，易导致成分不合，影响产品质量。生产信息传递主要通过广播、电话、对讲等方式，岗位人员劳动强度较大，易出现沟通不畅或理解错误影响生产的情况。
2. 智能配包技术
2.1 优化钢包使用数量
为了优化钢包使用数量，提高钢包周转率，降本增效，通过制造执行系统（MES）和各工序二级系统收集当前炉次钢包所在位置及状态信息，结合钢种生产所需的配包原则，对数据进行综合处理，实现钢包的高效使用。通过合理标定各类生产数据，完善配包方法，形成初步配包方案，后续通过实时的数据采集、动态更新数据和调整，持续优化配包方案，最终实现智能配包。智能配包技术能够降低劳动强度，实现岗位信息共享，消除各工序的信息不对称，直观、系统地显示钢包相关信息，为调度排布计划提供依据。
通过单浇次钢包周转数量计算模型[11]初步计算所用的钢包周转数量，如式（1）所示：
式中：为满足单台连铸机单浇次浇铸所需周转的钢包数；为实际钢包周转周期，min；为重钢包运行时间，min；实际空包时间，min；为连铸机单炉浇钢时间，min。
若钢包周转时间为190 min，铸机浇钢时间为35 min，通过式（1）可计算出理论投入钢包数量为6.4个，向上取整得到钢包使用数量为7个。通过连铸浇钢时间与钢包周转的最优数量匹配关系（见表1，其中标准空包时间为90 min，标准受钢时间为100 min），此时钢包实际周转周期变为245 min，实际空包时间比标准时间增加20 min，需进一步优化连铸浇钢时间。
表 1连铸浇钢时间与钢包周转数量的关系
为了进一步确定生产最优成本方案，优化钢包数量，需参考浇钢时间与实际空包时间（见图2）。通过表1和图2可知，连铸浇钢38 min为最优时间，此时钢包匹配数量为6个，钢包周转时间最佳且热周转效果最好。为了保证钢包周转数量最优，应首先参考浇钢时间与实际空包时间关系，使其与连铸浇钢时间合理匹配。
根据铸机生产周期进行同类合并分组，再次优化钢包使用数量，确定最终使用数量。生产中将铸机分为4大组，分组情况如下。
第1组：1#铸机、2#铸机，常规双流板坯铸机；
第2组：3#铸机、4#铸机，薄板坯单流铸机；
第3组：5#铸机，矩形坯连铸机；
第4组：6#铸机为双流宽板坯铸机，7#铸机、8#铸机为单流宽板坯铸机。
当第1~2组中任意一台铸机未参与生产，其余铸机将自动并入第3组；当第4组中任意一台铸机未参与生产，其他3组将自动组成新组合；出现单机生产时，将进入单机循环模式。此方案可以避免钢包在使用过程中因钢种频繁转换而不断更换滑板，降低耐材成本，缩短倾翻机处理周期，有效减少生产中座罐交叉的次数，从而提高钢包周转效率。
计算分组后钢包的最终使用数量，确定出最优方案，计算模型[12]如式（2）所示：
式中：为第i个连铸机的钢包周转周期，min；为第i个连铸机的钢包运行刚性时间，min；为第i个连铸机的钢包运行柔性时间，min；为钢包在第k个转炉的出钢时间，min；为钢包在第j个钢包精炼（LF）炉的精炼时间，min；为钢包在第h个脱气循环精炼（RH）炉的精炼时间，min；为钢包在第i个连铸机的浇注时间，min；为第i个连铸机的钢包修水口时间，min；为由第k个转炉到第j个LF炉的重包吊运时间，min；为由第j个LF炉到第h个RH炉的重包吊运时间，min；为由第j个LF炉到第i个连铸机的重包吊运时间，min；为由第h个RH炉到第i个连铸机的重包吊运时间，min；为由第i个连铸机到第k个转炉的空包吊运时间，min。
1#和2#铸机、3#和4#铸机合并后钢包周转数量分别见图3~4，可见合并分组后，通过优化生产数据，钢包的周转数量可以减少1~2个，从而提高钢包的周转效率。
2.2 智能配包方案
从制造执行系统获取转炉生产计划和开始吹炼信号、铸机浇铸情况和结束信号、倾翻机开始和结束信号后，完成“钢包从铸机浇注结束→进倾翻机处理→炉前接钢”的自动配置，以最大限度缩短钢包下线时间，优化钢包周转，同时结合倾翻机、铸机等设备的实际状态及技术标准对钢包的要求配置钢包计划。钢包配包的核心主要包括以下2步：在下线钢包中筛选出符合钢种使用要求的钢包；对符合要求的钢包进行优化，选出该炉次的最佳使用钢包。
2.2.1 选出符合钢种使用要求的钢包
采集数据判断钢包优先进入倾翻机的顺序：若计划钢种有成分限制（如GCr15、GCr15SiMn、低硅钢、低硫钢/硅钢等特殊钢种对前炉钢包的要求），系统将依据配置参数优先为该计划选配合适的钢包；系统依次检查安排的倾翻机是否可用，若不可用则切换至下一台，若所有倾翻机均不可用，则延迟10 min后重新安排，直至排出计划；每间隔一段时间，根据现场实际生产情况不断优化配包方案；固化倾翻机处理时间，可根据生产实际随时调整；默认倾翻机连续处理钢包的间隔时间，应根据处理需求制定合理的间隔时间。
2.2.2 选出最佳使用钢包
系统通过采集、处理各工序的数据，结合配包原则和预设参数，自动生成转炉与钢包的最优匹配方案：当系统识别钢包进入倾翻机后，确定倾翻机的标号和罐号；采集上炉次钢包的生产数据和对应的生产区域，对数据进行整理运算；系统自动识别转炉计划信号，根据转炉吹炼时间、钢包浇注完成时刻以及钢水吊运时间，为最先开始吹炼的转炉动态匹配最优钢包；调度确定系统推荐的钢包准确无误后点击确认，与各工序一键共享信息；若转炉已经开始吹炼，但还未配包，则优先为此炉配包；当转炉完成吹炼计划且已配包，但此钢包尚未处理完毕时，系统将在对应区域内重新优选匹配合适的钢包。
图5为钢包智能配包的生产界面，相应的生产信息和钢种信息均能从此界面中查询，方便操作岗位及时安排工作，提高生产效率。
2.2.3 补罐或甩罐
补罐判定方法：系统根据当前参与生产的铸机及其数量计算出所需钢包数量，再结合当前在线使用数量计算出差量，最终获得补罐数量。以实际生产所需钢包数量为依据，当下达转炉计划后，倾翻机无合适钢包匹配时，系统以优选对应区域为原则，从离线烤包器中选出符合条件的钢包补入倾翻机。
甩罐判定方法：系统根据当前参与生产的铸机及其数量计算出所需钢包数量，再结合当前在线使用数量计算出差量，最终获得甩罐数量。以甩罐数量为依据，结合下线时间合理安排钢包下线并回烤，确保钢包周转的良性循环，有效减少热损失，降低电耗。
3. 数据对比分析
3.1 真空循环脱气精炼路径钢种生产
真空循环脱气精炼（RH）路径钢种生产过程数据对比见表2，可见RH路径钢种钢包下线时间缩短8 min，氩前温度提高8 ℃，升温铝用量减少19.7 kg，节约生产成本的同时减少了钢水中夹杂物的数量，提高了钢水质量。
表 2RH路径钢种生产过程数据对比
3.2 钢包精炼路径钢种生产
钢包精炼（LF）路径钢种生产过程数据对比见表3，可见LF路径钢种钢包下线时间缩短9 min，氩前温度提高9 ℃，不仅节约了生产成本，缩短了精炼时间，还提高了生产效率。
表 3LF路径钢种生产过程数据对比
3.3 钢包周转效率
钢包周转效率数据见表4，可见钢包周转率提高0.6个/d，不仅提升了钢包受钢前的温度，节约了生产成本，还提高了钢水质量。
表 4钢包周转效率数据
4. 结束语
（1）钢包智能配包系统的应用，减少了钢包周转数量，解决了生产组织难度大的问题，提高了钢包周转率，延长了钢包使用寿命。
（2）钢包在生产过程中的热损失减少，降低了钢水处理过程中的升温率和生产成本，提高了钢水质量。
（3）配包系统应用画面直观便捷，数据查看简单明了，降低了岗位劳动强度。配包实现标准化，各工序信息共享，避免人为信息的传递错误，减少因调度人员素质能力问题对生产造成影响，从而提高了生产效率
来源--金属世界