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 ·