.1546 工程科学学报.第42卷，第12期 表1钢包热状态影响因素的研究 Table 1 Study on influence factors on thermal state of ladles No. Authors(Year) Influencing factors Methods(tools)/Model types Refs. Xia(2001) Initial temperature of ladle lining,heat dissipation rate of CFX software/Two dimensional 1 slag layer,and bottom blowing or not heat transfer model [22-23] 2 Volkova (2003) Lining thickness and working layer materials Two dimensional heat transfer model [24 Lining thickness,distance from cover to ladle edge, COMSOL software/Two dimensional 3 Bjom (2011) and preheating time heat transfer model 2的 Thickness of slag layer,tapping temperature,ladle life, Software of Gambit and Fluent/Two 4 Tripathi(2012) and initial temperature of ladle lining dimensional heat transfer model 26 Huang (2016) Repair time,preheating time,baking gas temperature, Two dimensional heat transfer model and cooling time 27] Phanomchoeng(2016) Thermal resistance for different materials and thermal Bounded Jacobian nonlinear observer/One resistance for the same material with different temperatures dimensional heat transfer model [28) 1 Gong(2016) Online/offline preheating time,cooling time,and erosion Ansys software with ParaMesh/Two degree of ladle lining dimensional heat transfer model 29 8 Wang(2017) Materials and structures of ladle lining Fluent software/Three dimensional heat transfer model 30 Fluent software/Three dimensional 9 Yuan(2018) Ladle preheating methods heat transfer model 31 10 Santos (2018) Working layer materials and insulation layer or not Abaqus software/Two dimensional heat transfer model [32] 11 Hou(2018) Thickness and thermal conductivity of ladle lining Abaqus software and Taguchi approaches/Two dimensional heat transfer model 33] 生产工艺的分析，建立了周转钢包个数与产品结 型的优化目标来进行求解，具体内容将在下文阐 构的量化关系模型，模型应用后，该厂周转钢包个 述.除了周转钢包数量，所需离线钢包数量的确定 数平均减少约2个.此外，炉次/浇次作业计划也影 对优化钢包管控也有着重要意义.目前，本课题组 响着周转钢包数量，而相邻浇次计划的重叠时间 正在深化相关研究工作，拟通过优化炼钢厂离线 决定着钢包互用程度，互用程度越高，所需周转钢 钢包的配置，提高钢包周转率，并逐步完善离线钢 包个数也就越少.Huang等B9研究了不同浇次计 包烘烤制度，以降低能源消耗 划重叠时间与周转钢包个数的关系，并应用甘特 1.2.2钢包选配 图方法计算出双浇次计划下的最少周转钢包个 所谓钢包选配，是指根据当前炉次治炼的钢 数，同时，给出了满足钢包互用的浇次计划重叠时 种类型和备选钢包类型、位置及其热状态等信息， 间，缩短重叠时间虽然有利于提高钢包互用程度， 选择最佳的钢包盛接该炉次钢水.配包不合理可 但在一定程度上降低了连铸机的作业率，对于生 能导致钢水浇铸温度偏离合理范围，恶化铸坯质 产任务较重的钢厂，需权衡彼此之间的利弊.以上 量，因而对于钢包选配的研究至关重要 研究主要考虑了满包运行阶段的生产因素对周转 钢包选配的前提是准确掌握备选钢包的位 钢包数量的影响，而空包运行阶段也存在诸多不 置、包龄、包衬温度与材质等信息，这就要求钢厂 确定因素，如空包时间、维修时间等，这些因素也 搭建钢包定位跟踪系统，常用的钢包定位跟踪方 会影响周转钢包数量.蔡峻等[ao-4应用Plant 法包括射频识别技术和激光测距技术四.除了准 Simulation软件建立了钢包周转仿真模型，研究了 确掌握钢包的实时信息，设计科学有效的建模与 包龄、热修时间、空包时间等因素对周转钢包数 求解方法也是钢包选配研究的重点.刘建1 和钢包周转率的影响，同时给出了提高钢包红包 将炼钢-连铸区段钢包选配的专家经验规则化， 出钢率的措施 同时归纳了钢包运行过程的约束条件，建立了钢 由于钢包的满包和空包运行效率均受到诸多 包选配模型，显著提高了目标钢厂的配包效率 因素的影响，周转钢包数量的计算应全面考虑流 刘炜与柴天佑将钢包包衬温度、包龄、包衬材 程中各因素的影响，特别对于转炉冶炼周期大于 质等辅助部件的使用次数设为约束，构建了钢包 连铸机浇铸周期的情况，钢包备包时间影响着钢 选配模型，并提出了基于规则优先级的启发式钢 包使用个数；同时，备包过程钢水温降对最大连浇 包选配方法：此外，以最小化转炉出钢温度、最大 炉数的制约也不容忽视.此外，因生产作业计划直 化钢包寿命和在线周转率为目标，建立脱磷转炉 接影响周转钢包数量，也可将其作为钢包调度模 的钢包选配模型，应用分类一致性方法归纳了钢
生产工艺的分析，建立了周转钢包个数与产品结 构的量化关系模型，模型应用后，该厂周转钢包个 数平均减少约 2 个. 此外，炉次/浇次作业计划也影 响着周转钢包数量，而相邻浇次计划的重叠时间 决定着钢包互用程度，互用程度越高，所需周转钢 包个数也就越少. Huang 等[39] 研究了不同浇次计 划重叠时间与周转钢包个数的关系，并应用甘特 图方法计算出双浇次计划下的最少周转钢包个 数，同时，给出了满足钢包互用的浇次计划重叠时 间，缩短重叠时间虽然有利于提高钢包互用程度， 但在一定程度上降低了连铸机的作业率，对于生 产任务较重的钢厂，需权衡彼此之间的利弊. 以上 研究主要考虑了满包运行阶段的生产因素对周转 钢包数量的影响，而空包运行阶段也存在诸多不 确定因素，如空包时间、维修时间等，这些因素也 会影响周转钢包数量 . 蔡峻等 [40−41] 应 用 Plant Simulation 软件建立了钢包周转仿真模型，研究了 包龄、热修时间、空包时间等因素对周转钢包数 和钢包周转率的影响，同时给出了提高钢包红包 出钢率的措施. 由于钢包的满包和空包运行效率均受到诸多 因素的影响，周转钢包数量的计算应全面考虑流 程中各因素的影响，特别对于转炉冶炼周期大于 连铸机浇铸周期的情况，钢包备包时间影响着钢 包使用个数；同时，备包过程钢水温降对最大连浇 炉数的制约也不容忽视. 此外，因生产作业计划直 接影响周转钢包数量，也可将其作为钢包调度模 型的优化目标来进行求解，具体内容将在下文阐 述. 除了周转钢包数量，所需离线钢包数量的确定 对优化钢包管控也有着重要意义. 目前，本课题组 正在深化相关研究工作，拟通过优化炼钢厂离线 钢包的配置，提高钢包周转率，并逐步完善离线钢 包烘烤制度，以降低能源消耗. 1.2.2 钢包选配 所谓钢包选配，是指根据当前炉次冶炼的钢 种类型和备选钢包类型、位置及其热状态等信息， 选择最佳的钢包盛接该炉次钢水. 配包不合理可 能导致钢水浇铸温度偏离合理范围，恶化铸坯质 量，因而对于钢包选配的研究至关重要. 钢包选配的前提是准确掌握备选钢包的位 置、包龄、包衬温度与材质等信息，这就要求钢厂 搭建钢包定位跟踪系统，常用的钢包定位跟踪方 法包括射频识别技术和激光测距技术[42] . 除了准 确掌握钢包的实时信息，设计科学有效的建模与 求解方法也是钢包选配研究的重点 . 刘 建 [43] 将炼钢–连铸区段钢包选配的专家经验规则化， 同时归纳了钢包运行过程的约束条件，建立了钢 包选配模型，显著提高了目标钢厂的配包效率. 刘炜与柴天佑[44] 将钢包包衬温度、包龄、包衬材 质等辅助部件的使用次数设为约束，构建了钢包 选配模型，并提出了基于规则优先级的启发式钢 包选配方法；此外，以最小化转炉出钢温度、最大 化钢包寿命和在线周转率为目标，建立脱磷转炉 的钢包选配模型，应用分类一致性方法归纳了钢 表 1 钢包热状态影响因素的研究 Table 1 Study on influence factors on thermal state of ladles No. Authors (Year) Influencing factors Methods (tools)/Model types Refs. 1 Xia (2001) Initial temperature of ladle lining, heat dissipation rate of slag layer, and bottom blowing or not CFX software/Two dimensional heat transfer model [22−23] 2 Volkova (2003) Lining thickness and working layer materials Two dimensional heat transfer model [24] 3 Björn (2011) Lining thickness, distance from cover to ladle edge, and preheating time COMSOL software/Two dimensional heat transfer model [25] 4 Tripathi (2012) Thickness of slag layer, tapping temperature, ladle life, and initial temperature of ladle lining Software of Gambit and Fluent/Two dimensional heat transfer model [26] 5 Huang (2016) Repair time, preheating time, baking gas temperature, and cooling time Two dimensional heat transfer model [27] 6 Phanomchoeng (2016) Thermal resistance for different materials and thermal resistance for the same material with different temperatures Bounded Jacobian nonlinear observer/One dimensional heat transfer model [28] 7 Gong (2016) Online/offline preheating time, cooling time, and erosion degree of ladle lining Ansys software with ParaMesh/Two dimensional heat transfer model [29] 8 Wang (2017) Materials and structures of ladle lining Fluent software/Three dimensional heat transfer model [30] 9 Yuan (2018) Ladle preheating methods Fluent software/Three dimensional heat transfer model [31] 10 Santos (2018) Working layer materials and insulation layer or not Abaqus software/Two dimensional heat transfer model [32] 11 Hou (2018) Thickness and thermal conductivity of ladle lining Abaqus software and Taguchi approaches/Two dimensional heat transfer model [33] · 1546 · 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 1547 包选配规则，通过规则推理的方法为各炉次选配 所得钢包调度结果进行仿真验证，同时，应用软件 钢包啊 内嵌的遗传算法对调度方案进行修正.以上研究 目前，宝钢、首钢京唐、河钢唐钢不锈钢公司 均是在生产作业计划已知的基础上进行的，钢包 等国内大中型钢铁企业均配置了钢包定位跟踪系 调度的灵活性受到一定限制.针对该问题，张媛5o 统，但通过现场或文献调研，多数钢厂因缺少行之 将钢包抽象为服务炉次的特定工序，将炉次计划 有效的钢包选配模型，钢包定位跟踪系统仅发挥 调度和钢包调度集成为一个问题，建立以生产计 了钢包运行状况的监测作用 划总完成时间、炉次工序间等待时间和设备待包 1.2.3钢包调度 时间最小化为目标的炼钢-连铸生产调度模型，采 所谓钢包调度，就是以最小化周转钢包数量 用改进的分散搜索算法求解模型，并与遗传算法 等为目标，以钢包包龄、维修操作、钢种类型等为 进行对比，验证了该算法的有效性 约束条件，为生产计划内的多个炉次同时选配 对比钢包选配与钢包调度的定义，不难看出 钢包，如图3所示.图中，ab/c表示空包运行阶段 传统意义上的钢包调度属于静态调度范畴，研究 根据钢包状态而采取的不同维修操作；L1(1)、 中通常将钢包在炼钢-连铸区段各工序的作业时 L1(2)L1(n1)表示分配给钢包L1的炉次集合 间以及工序间的运输时间作标准化处理：而钢包 通常，钢包调度是在生产作业计划已知的基础上 选配则需考虑钢包位置、热状态等实时信息，类似 进行的.类似炉次计划调度，钢包调度的求解方法 于动态调度的研究.面对炼钢厂复杂的生产作业 也包括启发式算法、基于生物进化的智能算法和 状况，要实现钢包运行的高效管控，需充分考虑钢 仿真方法等 包选配与钢包调度之间的关系，二者联合建模技 谭园园等6将钢包调度问题抽象为带有时间 术的研发应是今后钢包运行控制研究的重点.近 窗（满包运行阶段）的车辆路径问题，以最小化周 年来，5G通信技术和各种监测手段的发展为开发 转钢包数量为目标，钢种类型、钢包维修等因素作 集成钢包状态监测、选配和调度等功能的钢包运 为约束条件，构建钢包调度模型，应用分散搜索算 行管控系统提供了重要的技术支撑，其技术架构 法求解该模型，但该模型将满包运行阶段作为黑 如图4所示.以生产作业计划中各炉次的工艺要 箱处理，这对结果的准确性有一定影响.在其随后 求作为钢包选配与调度的约束条件，结合钢包定 的研究中7，考虑了满包运行阶段工序作业周期 位跟踪系统提供的钢包位置、钢包周转次数、钢 的影响，除最小化周转钢包个数，最大化工序作业 包类型等信息，进行钢包的选配与调度，优化钢包 稳定性（钢包在各工序的作业时间处在合理作业 周转：此外，根据钢包在满包和空包运行阶段运行 周期范围内)也作为钢包调度模型的优化目标，大 状况的监测，结合包衬材质、结构等信息，确定待 大提高了模型的可用性.郑忠课题组48-先后采 接钢水钢包的热状态，为转炉出钢温度的调控提 用动态网络图方法和统一建模语言(UML),构建 供指导.蔡峻等5刚在基于钢包热状态的钢水温度 以工序间钢包等待时间最小和周转钢包数最少为 补偿方面已开展了大量研究工作，并开发了相应 目标的钢包调度模型，采用Plant Simulation软件对 的软件系统 Cooling stage Filling stage L(1) L(2) L(m) a L2) h a L.(1) b L.2) L.n)■ Time/min 图3钢包调度示意图 Fig.3 Schematic of ladle scheduling
包选配规则，通过规则推理的方法为各炉次选配 钢包[45] . 目前，宝钢、首钢京唐、河钢唐钢不锈钢公司 等国内大中型钢铁企业均配置了钢包定位跟踪系 统，但通过现场或文献调研，多数钢厂因缺少行之 有效的钢包选配模型，钢包定位跟踪系统仅发挥 了钢包运行状况的监测作用. 1.2.3 钢包调度 (2)······ 所谓钢包调度，就是以最小化周转钢包数量 等为目标，以钢包包龄、维修操作、钢种类型等为 约束条件，为生产计划内的多个炉次同时选配 钢包，如图 3 所示. 图中，a/b/c 表示空包运行阶段 根据钢包状态而采取的不同维修操作 ； L1 (1)、 L1 L1 (n1 ) 表示分配给钢 包 L1 的炉次集合 . 通常，钢包调度是在生产作业计划已知的基础上 进行的. 类似炉次计划调度，钢包调度的求解方法 也包括启发式算法、基于生物进化的智能算法和 仿真方法等. 谭园园等[46] 将钢包调度问题抽象为带有时间 窗（满包运行阶段）的车辆路径问题，以最小化周 转钢包数量为目标，钢种类型、钢包维修等因素作 为约束条件，构建钢包调度模型，应用分散搜索算 法求解该模型，但该模型将满包运行阶段作为黑 箱处理，这对结果的准确性有一定影响. 在其随后 的研究中[47] ，考虑了满包运行阶段工序作业周期 的影响，除最小化周转钢包个数，最大化工序作业 稳定性（钢包在各工序的作业时间处在合理作业 周期范围内）也作为钢包调度模型的优化目标，大 大提高了模型的可用性. 郑忠课题组[48−49] 先后采 用动态网络图方法和统一建模语言（UML），构建 以工序间钢包等待时间最小和周转钢包数最少为 目标的钢包调度模型，采用 Plant Simulation 软件对 所得钢包调度结果进行仿真验证，同时，应用软件 内嵌的遗传算法对调度方案进行修正. 以上研究 均是在生产作业计划已知的基础上进行的，钢包 调度的灵活性受到一定限制. 针对该问题，张媛[50] 将钢包抽象为服务炉次的特定工序，将炉次计划 调度和钢包调度集成为一个问题，建立以生产计 划总完成时间、炉次工序间等待时间和设备待包 时间最小化为目标的炼钢–连铸生产调度模型，采 用改进的分散搜索算法求解模型，并与遗传算法 进行对比，验证了该算法的有效性. 对比钢包选配与钢包调度的定义，不难看出 传统意义上的钢包调度属于静态调度范畴，研究 中通常将钢包在炼钢–连铸区段各工序的作业时 间以及工序间的运输时间作标准化处理；而钢包 选配则需考虑钢包位置、热状态等实时信息，类似 于动态调度的研究. 面对炼钢厂复杂的生产作业 状况，要实现钢包运行的高效管控，需充分考虑钢 包选配与钢包调度之间的关系，二者联合建模技 术的研发应是今后钢包运行控制研究的重点. 近 年来，5G 通信技术和各种监测手段的发展为开发 集成钢包状态监测、选配和调度等功能的钢包运 行管控系统提供了重要的技术支撑，其技术架构 如图 4 所示. 以生产作业计划中各炉次的工艺要 求作为钢包选配与调度的约束条件，结合钢包定 位跟踪系统提供的钢包位置、钢包周转次数、钢 包类型等信息，进行钢包的选配与调度，优化钢包 周转；此外，根据钢包在满包和空包运行阶段运行 状况的监测，结合包衬材质、结构等信息，确定待 接钢水钢包的热状态，为转炉出钢温度的调控提 供指导. 蔡峻等[51] 在基于钢包热状态的钢水温度 补偿方面已开展了大量研究工作，并开发了相应 的软件系统. L1 … Ladle number (sets) Lm L1 (1) a Cooling stage Filling stage … … … … b Time/min c a b c a b c L1 (2) L1 (n1 ) L2 (n2 L ) 2 L (2) 2 (1) Lm(1) Lm(2) Lm(n3 ) L2 图 3 钢包调度示意图 Fig.3 Schematic of ladle scheduling 杨建平等： 炼钢–连铸区段 3 种典型工序界面技术研究进展 · 1547 ·