D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.04.004 北京钢铁学院学报 1983年第4期 初轧厂钢锭加热和轧制过程的 系统仿真研究 热能工程系 高仲龙· 计算中心 李秀山 摘 要 本文以某初轧厂一个月实际生产的调度和现场记录数据为依据，建立了生产 过程系统仿真的数学模型，利用这些模型在计算机上对初轧厂钢笑加热和轧制过 程进行多火仿真试验和过程研究，为现场的生产调度和管理等技术人员提供决策 依据，也可供过程控制等系统研究人员参考。 一、前 言 初轧厂是钢铁企业的一个重要生产环节，均热车间又是整个初轧厂的咽喉，它连接着 间断生产的炼钢工序和连续生产的轧钢工序。在其间不仅起缓冲调节作用，而且对整个初 轧厂的产量和产品质量及收益多少都起着重要的作用，如能加强管理，有效的利用设备， 合理的调度生产将对现场生产面貌和能耗的节约产生积极影响。 为此，利用离散型仿其语言GPSS(GENERAL PURPOSE SIMULATION SY.- STEM)对某初轧厂钢锭加热和轧制生产过程进行了初步仿真研究。 一个系统在通常情况下，要经常受到系统外界因素变化的影响，这些发生于系统外部 的变化统称为在系统环境中发生的变化。在建立系统模型时，很重要的一步是根据研究目 的确定要仿真的系统和系统环境之间的界限。 这里把均热和轧制两个工序作为研究对象，或称仿真系统，就是说要仿真的系统是由 均热和轧制两个分系统构成，其它工序都看成是系统环境。 二、仿真系统的工艺概述 均热分系统中，共17个炉坑，一般只开14个左右，输入该分系统的钢锭为8.5吨沸腾 钢和9,85吨镇静钢，冷锭来自冷锭库，并且是随时可取的，热锭来自炼钢厂，从钢水出炉 到钢锭运到初轧厂，中间要经过镇静、脱模等多道工序，工序之间的传送还要受到各种随 ，二分校8艺级串业生医和群、郭长河同学参加了研究工作。 37
北 京 俐 铁 举 眺 举 报 ， 牟 结 翔 初轧厂 ‘ 钢锭加热和轧制过程的 系统仿真研究 热 能工 程 系 计 算 中 心 高仲 龙 李 秀山 摘 要 本 文 以 某初 札 厂 一个 月 实际 生 产的调度 和现 场 记 录数据 为依据 ， 建立 了生 产 过程 系统 仿 真 的数学模 型 ， 利 用这 些 模 型 在计算机 上 时初 札 厂钢 仗加 热和 札制 过 程进行 多次 仿 真 试验 和过 程研 究 ， 为现 场 的生 产调度 和 管理 等技术人 负提供 决 策 依据 ， 也 可 供 过 程控 制 等系统研 究人 员参考 启斤 心牙 一 、 目幼 巨 初轧 厂 是钢铁 企业的一个重要生产环节 ， 均热车间又是整个初轧厂的咽喉 ， 它连接着 间断生产的炼钢工 序和连 续生产 的轧钢工序 。 在其间不仅起缓冲调 节作用 ， 而且对整个初 车厂 的产量 和产品质量 及 收益多少都起着重要 的作用 ， 如能加强 管理 ， 有效的利用设备 ， 合理 的调度生产将对现 场生产面貌和能耗的节约产生积极影响 。 为此 ， 利用离散型 仿真语言 对某初轧厂钢锭 加热和轧制生产过程进行 了初步仿真研究 。 一个系统在通常情 况下 ， 要经常受到系统外界 因素变化的影 响 ， 这些 发生 于系 统外 部 的变化统称为在系统环境 中发 生 的变化 。 在建立系统模型 时 ， 很重要 的一步是根据研究 目 的确定要仿真的系 统和系统环 境之 间的界 限 。 这里把均热和轧制 两个工序作为研究对象 ， 或称仿真系统 ， 就是说要仿真 的系统是 由 均热和轧制两个分系统构成 ， 其它工 序都看成 是系统环境 。 二 、 仿真系统的工 艺概述 均热分系统中 ， 共 个炉坑 ， 一般只开 个左右 ， 输入该分系统的钢锭为 吨 沸 腾 钢和 吨镇静钢 ， 冷锭来 自冷锭库 ， 并且是 随时可取的 ， 热键来 自炼钢厂 ， 从钢水出护 到 钢锭运到初轧厂 ， 中间要经 过镇静 、 脱模等多道工 序 ， 工序之 间 的传送还要受到各种随 二分校“ 级毕业生匡和群 、 郭长河同学参加了研究工 作 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．04．004
机因素的影响，所以火车运到初轧厂的热锭，可能是每批一炉，也可能是每批儿炉，而每 批之间的时间间隔是随机的。由于钢锭的传搁时间不同，到达均热车间的温度也有所差 异。同时由于炼钢转炉钢水量不一致，所以每炉钢水浇注的钢锭块数不完全相同。 当一批热锭到达均热分系统时，若有空坑处于待料状态，可即时进行装炉，以提高钢 锭入炉温度，诚少热量损失，缩短烧钢时间。可以节约能耗，提高产量和质量。现场规定 对700°C以上的热锭优先装炉，即在同一批中有2炉以上的热锭时，先装温度高的。 钢锭到达均热分系统后，如果没有空坑，·则需要等待，即出现待装现象，使钢锭温度 下降，造成热量损失。 钢锭从入炉到出炉的在炉时间，要根据钢锭入炉时的温度、锭数、锭型、炉温、初始 煤气量等因素来确定，现场主要用的是快速烧钢法。 当均热炉出现空坑，且预计在相当长的时间内没有热锭到达，则从冷锭库调入冷锭装 炉。 钢锭在均热炉炉坑经过加热、均热等过程，达到轧制标准后，即可准备出炉。这时， 如果轧机正好处于可用状态，而又没有其它炉坑在出钢，就即刻出钢，如果这两个条件不 具备，已烧好的钢就要处于待轧状态。如果有多炉钢锭待轧时，一旦可以出炉轧制，则高 碳钢锭优先出护。 当炉坑连续烧钢达一定炉数时，需进行空炉化炉底，进行液体出渣，化炉时间一般为 2小时。 均热分系统的输出是钢锭出炉，又做为轧制分系统的输入，钢锭出炉是用钳式吊车将 钢锭吊出放在送锭车上，一般一次一块，送锭车将烧好的钢锭送到轧制辊道，经回转台进 入轧机轧制。一般钢锭从出炉到轧制中间传送时间为1.5分钟。 每块钢锭的轧制时间，经实地考察可以认为是服从均匀分布的。轧制的钢坯进精整车 间，即从轧制分系统输出。 在轧制分系统中，需大量辅助设备的支持才能维持正常运行。因此，当某些辅助设备 出现机械、电气故障或操作事故时，轧制就要中断，直到故障排除，才能重新运行。 当均热分系统不能对轧机连续不断地供给烧好的钢锭，轧机就要处于待热状态。 轧制分系统是三班连续生产，每次交接班要设备检查半小时，所以每班轧机可轧制时 闻最多七个半小时。 综上所述，可得到图1所示的仿真工艺流程。 其中，钢锭的到达是本系统的环境，均热和轧制是本系统的主要过程，待料时间、待 装时间、待热时间、待轧时间和等待热装时间在整个系统中是一些中间变量。对这样的系 统，就目前来讲，怎样把随机的间断到达的钢锭，经均热过程的合理调节后连续不断的对 轧机喂钢，使轧机在设备能力允许的前提下有节奏的生产，从而节约能耗，保证计划产 量，提高产品质量，这对生产是很有意义的。 38
机因索的形响 ， 所以火车运到初轧广的热键 ， 可能是每批一炉 ， 也可能是每批几护 ， 而每 批之 间的时间间隔是 随机的 。 由于钢锭的传搁时间不同 ， 到达均热车间的温度 也 有 所 差 异 。 同时由于炼钢转炉钢水量不 一致 ， 所以每炉钢水浇注 的钢锭块数不完全相同 。 当一批热锭到达均热分系统时 ， 若有空坑处于待料状态 ， 可 即时进行装护 ， 以提高钢 锭入护温度 ， 减少热量损失玉 缩短烧钢时间 ， 可 以节约能耗 ， 提 高产量和质量 。 现场规定 对 以上的热锭优先装炉 ， 即在同一批 中有 炉以上的热锭时 ， 先装温度 高的 。 钢锭到达均热分系统后 ， 如果没有空抵 则需要等待 ， 即出现待装现象 ， 使钢锭温度 下降 ， 造成热量损失 。 钢键从入炉到出炉的在炉时 间 ， 要根据钢锭入炉时 的温度 、 锭数 、 锭型 、 炉温 、 初始 煤气量等因素来确定 ， 现场主要用 的是快速烧钢法 。 当均热炉 出现空坑 ， 且预计在相当长的时 间内没有热锭到达 ， 则从冷锭库调入冷锭装 炉 。 钢锭在均热炉炉坑经过加热 、 均热 等过程 ， 达到轧制标准后 ， 即可准备出炉 。 这时 ， 如果轧机正好处于可用状态 ， 而又没有其它炉坑在出钢 ， 就 即刻出钢 ， 如果这两个条件不 具备 ， 已烧好的钢就要处于待轧状态 。 如果有多炉钢锭待轧时 ， 一旦 可 以 出炉轧制 ， 则 高 碳钢锭优先 出炉 。 当炉坑连续烧钢达一 定炉数时 ， 需进行空炉化炉底 ， 进 行液体出渣 ， 化炉时间一般为 小时 。 均热分系统的输出是钢锭 出炉 ， 又做为轧制分系统的输入 ， 钢锭出炉是用钳式 吊车将 钢锭 吊出放在送锭车上 ， 一般一 次一块 ， 送锭车将烧好的钢锭送到轧制辊道 ， 经 回转台进 入轧机轧制 。 一般钢锭从 出炉到轧制 中间传送时间为 。 分钟 。 每块钢锭的轧制时间 ， 经实地考察可 以认为是服从均匀分布的 。 轧制的钢坯进精整车 间 ， 即从轧制分系统输出 。 在轧制分系统中 ， 需大量辅助设备的支持才能维持正 常运行 。 因此 ， 当某些辅助设备 出现机械 、 电气故障或操作事故时 ， 轧制就要 中断 ， 直到故障排除 ， 才能重新运行 。 当均热分系统不能对轧机连续不断地供给烧好的钢锭 ， 轧机就要处于待热状态 。 轧制分系统是三班连续生产 ， 每次交接班要设备检查半小时 ， 所 以每班轧机可轧制时 间最多七个半小时 。 综上所述 ， 可 得到 图 所示 的仿真工艺流程 。 其 中 ， 钢锭 的到达是本系统的环境 ， 均热 和轧制是本系统的主 要过程 ， 待料时间 、 待 装时间 、 待热时 间 、 待轧时 间和等待热装时间在整个系统 中是一 些 中间变量 。 对这 样的系 统 ， 就 目前来讲 ， 怎样把 随机的间断到达 的钢锭 ， 经均热过程 的合理调节后 连续不断的对 车机喂钢 ， 使轧机在设备能力允许的前提下有节 奏的生产 ， 从而节 约能耗 ， 保 证 计 划 产 量 ， 提高产 品质量 ， 这对生产是很有意义 的
都锭到运记录各种参数 特料 有空护？ N 待装 Y 记录空炉导 空炉有余？ N 有热锭？ 等待热装 N 装热锭 装冷锭 确定加热割度 N 待热 轧机空？ N 温度够？ 轧机空？ N待轧 Y 传送 轧制 结束 图1仿真的工艺流程 三、系统仿真用到的有关概率统计模型 根据实际系统的工艺过程和系统仿真的需要，以实际系统的调度数据和生产记录为依 据，确定了一系列的数学模型。例如： 1。铜锭批到达模型 若以2小时为时间单位，则钢锭在2小时之内，发生批钢锭到达的概率服从泊松分布： P(n)=A"ea (n=0,1,2,…) nl 其中入=2.11批/2小时，即平均每2小时的到达批数约为2。概率密度如图2所示。 从炼钢厂用火车运来的每批钢锭的炉数，每炉钢的钢种、锭型、钢锭块数及温度等分 布函数的图形如下（见图3一7，图中RN1为在0一1之间均匀分布的随机数）。 39
图 仿真的工艺流程 三 、 系统仿真用到的有关概率统计模型 根据实际系统的工艺过程和系统仿真的需要 ， 据 ， 确定了一系列 的数学模型 。 例如 ， 。 棍位批到达模型 以实际系统的调 度数据和生产记录为依 若以 小时为时 间单位 ， 则钢 锭在 小 时之 内 ，发 生 批钢锭到达的概率服从泊松分布 入 一 、 二 ， ， ， … 其 中入一 批 小时 ， 即平均每 小时的到达批数约为 补概半磐想巴噢乃 从炼钢厂用火车运来的每批钢锭的炉数 ， 每炉钢 的钢种 锭笋 甲罗 布 函数的 图形如下 见 图 一 ， 图中 为 在 一 之 间均匀分布 的 随机戴
0.26 炉数 0.2 0.12 0,1 0.50.780.961.0RN1 批小时 图2钢锭批到达的概率密度 图3每批炉数分布图 (图批/小时为批/2小时) 、锭数 16 15 铜种 锭型 13 9.85吨慎静铜 11 8.5纯沸牌钢 0.020.10.35 RNI 0.751.0kN1 0.0G 图4钢种锭型分布 图58.5吨沸腾钢每炉钢锭块数分布 锭 湖度 950 3 850 12 800 750 700 0.10.35 0.851.0RN1 650 10.10.170.470.7 0.1N1 0.05 图69.85吨镇静钢每护钢锭块数分布 图？钢锭到达均热分系统时的温度分布 2。影响生产的故障到达模型 以每班8小时为时间单位，发生·次故障的概率也服从泊松分布。 P(n)=.(1.56)e-1.s8 (n=0,1,2,…) nl 影响生产的故障分大、中、小三类，故障检修所需要的时间各不相同。故障种类及检 修时闻分布如下。 40
概率 。 ， 护数 批广小时 ’ 门 叫 尸州 弓一一一一二一 二一一一 之 图 钢锭批到达的概率密度 图 每批炉数分布图 图批 小时为批 小时 嘿 一 一门 ，，，上乃廿几 钥 种 娜 例 电俄 醉钥 氏 咧沸助炯 尸 】 交艺 弋付 匕一 吨沸腾钢每炉钢锭块数分布 ，‘月卜卫，趁 阵 卜目︸比︸ 国准的 、﹄ 图 钢种锭型分布 会七数 了 厂一一 月 】 － 广 一州 － 飞 三，三 马，曰内， 黑 冈 图 吨镇静钢每 炉钢锭块数分布 图 钢锭 到达均热分系统时的温度分布 形响生产的故陈到达 模型 以每班 小时为时间单位 ， 发生 次故障的概率也服从泊松分布 。 。 一 一 ， ， ， ， … 影 响生产的故障分大 、 中 、 小三类 ， 故障检修所需要的时间各不相同 。 故障种类及检 修时 间分布如下
水枚类 大3 中2 小1 0.2040.60.821.0 -RNI 图8故障类型分布 。4 检修时间（分） 检修时间（分） 检修时间（分） 60 15 50 240 10 40 180 30 120叶 0.50.721.0RN 20 60 0.210.350.651.0RNi 0.92 0.570.711.0RN1 图9小故障检修时间分布 图10中故障检修时间分布 图11大故障检修时间分布 3。烧钢时间的确定 若装炉钢锭温度在700C一950C的范围内，烧钢模型在取0.01的比例因子后，可按 下式确定总的烧钢时间。 9.85吨镇静钢 t总=5.5484-0.936(t红-T0)-0.094tD2 +0.035Bo2+0.04x2 8.5吨沸腾钢 t总=4.219-0.0621tn2+0.3112tDW-0.0312TLBo 其中 ℃总一总的烧钢时间影 二一装钢时的炉温； ℃D·,一装钢时的锭温影 B0初始煤气量， W二一装入量。 若装炉钢锭温度在700C以下，总的烧钢时间就按操作手册查表确定。 四、用GPSS框型处理均热过程的仿真流程 将所建立的数学模型寓于实际生产流程，本仿真系统可由如下几个模块构成。 41
事 故类 大 ” 小 ‘ 厂‘ 钾，任，一一引以 艺 。 个 图 故障类型分布 检修时间 分 检修时间 七分 检修时间 分 乙，二 已恤内 八八︸ 兮内工月八甘”︸ ‘ 一一杏甲‘ ，一一 甲 孟一一一一人 粼成节宁执 ‘ 图 小故障检修时间分布 图 中故障检修时间分布 图 大故障检修时间分布 烧钢时间的确定 若装炉钢锭温度在 。 。 一 。 。 的范围内 ， 烧钢模型在取 的比例因子后 ， 可 按 下式确定总的烧钢时间 。 吨镇静钢 丫 总 二 一 。 丫。 一 。 一 丫 “ 。 。 丫 吨沸腾钢 丫 总 一 丫力 丫 。 一 丫 其 中 下总 三于命总的烧钢 时间， 丫 任升 装钢时的炉温 丫” ，，， 装钢 时的锭温 ‘ 三三初始煤气量 装入量 。 若装炉钢锭温度在 以下 ， 总 的烧钢 时 间就按操作手册查 表确定 。 四 、 用 框型处理均热过程 的仿真流程 将所建立的数学模型离于 实际生产流程 ， 本仿真系统可 由如下几个模块构成