CN106126842A - 一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其可以通过以下实现步骤：根据炼钢工艺布置和物流运行特点，建立相应的炼钢物流周转模型；根据炼钢连铸生产实绩，建立铁/钢水温度变化规则模型、设备能耗消耗规则模型、设备物质消耗规则模型；将步骤二中的温度变化规则模型、设备消耗规则模型、设备物质消耗规则模型与步骤一中的炼钢物流周转模型的各个设备关联；设置仿真的生产任务量和铁水或钢水的进厂节奏进行物流仿真计算，在仿真过程中动态调用相应的规则模型计算铁/钢水的温度变化、能源介质消耗量和物质消耗量；根据仿真结果得到各种物质在该生产条件下的单耗，设置其单价，由此计算不同工况下的生产运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢的应用技术领域，特别是涉及一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法。
背景技术
在炼钢制造过程中，成本控制是一项十分重要的工作。其实现原理主要是通过对制造流程进行分析优化，找出其中不合理或者可以改进的地方，进而达到降低成本的目标，当然，这不包括设备折旧、车间固定投资、废品率影响等的成本。现有的计算方法是根据各物质的单耗和单价计算得到，而各物质单耗通常是通过年生产产量下各种钢种在各工序的消耗均值得到，该方法计算的炼钢车间生产运行成本是静态、统计的，不能准确动态地反映不同生产任务下生产成本，在分析不同生产组织策略对生产运行成本的影响方面显得能力不足。因此，如何提供一种更为科学的炼钢连铸生成流程优化方法从动态的角度来对生产运行过程进行模拟以得到整个生产过程中的物质和能量消耗、进而实现对钢铁生产成本的控制是目前本技术领域所研究的方向和需要解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，通过工艺方案和生产任务对炼钢生产过程中的物质消耗、水、电、气等能源介质消耗过程进行仿真分析，从而为用户提供不同生产任务和生产组织策略下的生产成本，供其精细化管理。用于解决现有技术中对钢铁连铸过程中生产成本计算不够准确的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下方案：
一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，包括：仿真初始步骤：在炼钢物流周转模型中初始设定生产任务量和铁水或钢水的进厂节奏，得到进行炼钢连铸的加工计划；仿真运行步骤：模拟所述加工计划所对应的生产过程，并在所述生产过程中动态调用相应的规则计算模型来计算铁/钢水的温度变化、能源介质消耗量和物质消耗量，所述规则计算模型和炼钢物流周转模型为预先建立的数学模型，其中，所述规则计算模型包括铁/钢水温度变化规则模型、设备能耗消耗规则模型及设备物质消耗规则模型。
优选地，所述炼钢物流周转模型的建立方法包括：选择合适的物流模块，根据工艺方案搭建形成相应的炼钢物流周转模型，其中，各所述物流模块具体包含模型属性、作业属性和设备属性。
优选地，所述模型属性包括工序名称、所属跨、吊运点位置信息；所述作业属性包括描述代表不同成分的物质单元在该设备加工为目标成分所需进行的步骤和处理时间；所述设备属性包括描述该设备运转所需消耗的能源介质，所述能源介质包括水、电、气。
优选地，所述铁/钢水温度变化规则模型的建立步骤法包括：
设置不同钢种在不同设备的目标温度；
建立各设备作业与铁/钢水温度变化关系，包括兑铁时铁水温降与兑铁时间关系：T铁/钢水＝t铁/钢水-a×t兑铁，
其中，关系式中的温降系数a可通过对现场数据的统计分析或实验检测得到；
建立满包铁水和钢水在不同过程的温降与时间关系，包括出钢时钢水温降与出钢时间、钢水罐状态的关系：
其中，关系式中的温降系数a1、a2、a3……可通过对现场数据的统计分析或实验检测得到，A、B、C罐级可以依据罐的罐龄和空包内衬温度进行划分；
建立空铁包和钢包在不同过程的温度变化与时间关系，包括描述是否进行底吹、不同底吹流量、是否加盖等不同炼钢工艺条件下铁水/钢水的运输过程温降关系：
其中，关系式中的温降系数b1、b2、b3、c1、c2、……可通过对现场数据的统计分析或实验检测得到，底吹流量大小根据钢厂生产要求划分。
优选地，所述设置不同钢种在不同设备的目标温度的方法包括：根据炼钢工艺要求，按钢种设置关键工序点的目标温度，其中，所述目标温度包括各钢种转炉出钢温度、各钢种凝固温度和过热度。
优选地，所述设备能耗规则模型的建立步骤包括：设备运转所需消耗的能源介质，根据炼钢连铸生产过程中的设备特征建立能源介质与设备运行消耗关系，包括不同设备消耗能源介质属性、消耗量、消耗制度；其中，所消耗的能源介质为设备运转所需消耗的能源介质。
优选地，所述设备物质消耗规则模型的建立步骤包括：根据炼钢连铸生产过程各工序的冶金原理，构建物质消耗与产品品种的关系，其中，所述物质包括金属料、辅料、合金料、耐火材料；依据所述关系和初始铁/钢水的温度、成分和重量情况计算为达到产品品种的成分、温度、重量要求所需要消耗的物质种类和量。
如上所述，本发明具有以下有益效果：本发明通过在炼钢连铸的仿真物流生产调度过程中，融入了铁/钢水温度变化规则、设备物质消耗规则、设备能耗规则模型，可体现因物质单元在不同设备处理，导致处理时间、运输时间不同从而引起铁/钢水温度不同，由此带来物质消耗、能源介质消耗的不同，因此该方法可以动态体现因生产组织方式不同对生产运行的仿真，进而了解由此对生产成本带来的影响，准确动态地反映不同生产任务下生产成本。
附图说明
图1显示为本发明一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其可以包含以下步骤：
S101，仿真初始步骤：在炼钢物流周转模型中初始设定生产任务量和铁水或钢水的进厂节奏，得到进行炼钢连铸的加工计划；
S102，仿真运行步骤：模拟所述加工计划所对应的生产过程，并在所述生产过程中动态调用相应的规则计算模型来计算铁/钢水的温度变化、能源介质消耗量和物质消耗量，所述规则计算模型和炼钢物流周转模型为预先建立的数学模型，其中，所述规则计算模型包括铁/钢水温度变化规则模型、设备能耗消耗规则模型及设备物质消耗规则模型。
通过上述仿真方法可以对炼钢连铸在生产车间中的动态流程进行模拟，不同的初始设定可以得到不同状态的生产流程，由此来了解这个动态过程中的各种物质和能量的消耗，从而得到各种物质在该生产条件下的单耗，通过设置其单价，来计算不同工况下的生产运行成本。
在具体实施中，上述炼钢物流周转模型和数学模型可以通过以下方式来进行建立。
一、炼钢物流周转模型的建立
炼钢物流周转模型是根据炼钢工艺布置和物流运行特点来建立的，具体可以是炼钢连铸的工艺布置和物流运行特点，其目的是用来模拟炼钢连铸的工艺流程。
具体地，炼钢物流周转模型可以包含炼钢连铸生产工艺方案中各主工序处理设备和运输设备(过跨车、起重机)的布置和配置情况，周转过程中考虑了不同性质罐(铁水罐、钢水罐、渣罐)的转换(重罐和空罐)和物质性质的转换(铁水、不同钢种的钢水、铸坯的转换)。更为详细的，炼钢物流周转模型的建立是选择合适的物流模块根据工艺方案搭建相应的模型，各物流模块具体可以包含模型属性、作业属性和设备属性，模型属性具体可以为工序名称、所属跨、吊运点位置信息；作业属性可以是描述代表不同成分的物质单元在该设备加工为目标成分所需进行的步骤和处理时间；设备属性可以是描述该设备运转所需消耗的水、电、气等能源介质。
在具体实施中，可以通过上述模块属性的设置来完成对工艺方案的仿真建模，即初始设置生产任务量和铁水或钢水，就可以得到一个相应的炼钢连铸工艺物流模型。
二、铁/钢水温度变化规则模型的建立
所述铁/钢水温度变化规则模型可以包括以下内容：不同钢种在不同设备的目标温度、各设备作业与铁/钢水温度变化关系、满包铁水和钢水在不同过程的温降与时间关系、空铁包和钢包在不同过程的温度变化与时间关系。
具体地，不同钢种在不同设备的目标温度是根据炼钢工艺要求，按钢种设置关键工序点的目标温度，主要为各钢种转炉出钢温度、各钢种凝固温度和过热度。
具体地，各设备作业与铁/钢水温度变化关系即为过程处理物理温降关系，主要为炼钢生产过程中容器发生变化导致铁水或钢水的温降，即兑铁时铁水温降与兑铁时间关系(式1)和出钢时钢水温降与出钢时间、钢水罐状态的关系(式2)：
T铁/钢水＝t铁/钢水-a×t兑铁……(式1)；
其中，关系式中的温降系数a、a1、a2、……可通过对现场数据的统计分析或实验检测可得到，式中A、B、C罐级可以依据罐的罐龄和空包内衬温度进行划分，具体的，可以参考行业规则。
具体地，满包铁水和钢水在不同过程的温降与时间关系即是描述是否进行底吹、不同底吹流量、是否加盖等不同炼钢工艺条件下铁水/钢水的运输过程温降关系，可以参见式3：
其中，关系式中的温降系数b1、b2、b3、c1、c2、……可通过对现场数据的统计分析或实验检测可得到，底吹流量大小根据钢厂生产要求划分。
具体地，空铁包和钢包在不同过程的温度变化与时间关系即是描述是否加盖、是否烘烤等不同生产工艺条件下空包内衬的温降关系式4：
其中，关系式中的温降系数d1、d2、d3可通过对现场数据的统计分析或实验检测可得到。
三、设备能耗规则模型的建立
所述设备能耗规则模型描述了仅设备运转所需消耗的能源介质，是根据炼钢连铸生产过程中的设备特征建立能源介质(水、电、气)与设备运行消耗关系，其可以包括以下内容：不同设备消耗能源介质属性、消耗量、消耗制度。消耗制度分为7类：连续、间断、与炉次相关、与浇次相关、浇次内间隔时间使用、与浇铸周期比例有关、与铸坯相关。其中，电消耗、各种质量的水、各种气体耗量的计算关系式分别为：
其中，式6、7、8中t工作是由其消耗制度决定，计算方式参见表1：
四、设备物质消耗规则模型的建立
所述设备物质消耗规则模型描述了为达到产品质量要求需消耗的能源介质和物质，是根据炼钢连铸生产过程各工序的冶金原理，构建物质消耗(金属料、辅料、合金料、耐火材料)与产品品种的关系，即根据初始铁/钢水的温度、成分和重量情况，计算为达到产品品种的成分、温度、重量要求所需要消耗的物质种类和量，规则构成分为四类：
1、生产操作规程
根据炼钢生产工艺规定，直接设定某物质在某工序的吨钢消耗量，如耐火材料吨钢消耗，铁水、废钢、铁矿石在转炉的吨钢消耗等。
2、线性回归计算
该类规则适用于物质消耗与需处理的成分元素成线性关系，如式9所示，根据生产数据回归得到相应的系数，如脱硫工序脱硫剂的消耗与硫元素减少量。
W脱硫剂＝a×(元素目标含量-元素初始含量)+b (式9)
3、增量计算
该类规则适用于物质消耗与目标成分和温度成非线性关系，如转炉工序物料消耗与目标成分温度之间，其计算方法如下：
步骤1：根据生产数据构建基本炉次生产表，即各种加入物料(金属料、辅料)的成分、温度、加入量，吹氧量得到最终产品的成分和温度。
步骤2：根据冶金原理，计算金属料元素成分变化0.1％和温度变化10度时，达到基本产品温度成分，与基本炉次生产表相比得到吹氧量的变化值、辅料加入量的变化值，以及相应的系统热量变化值；计算辅料变化单位质量对系统热量的变化值。
步骤3：与基本炉次相比调整辅料加入量，确保系统热量变化值等于零。
步骤4：在基本炉次生产表的基础上加上步骤2和步骤3的计算量，可得到金属料元素成分变化0.1％和温度变化10度时的总耗氧量、辅料的添加量。
4、温度差量计算
该规则适用于温度调节的工序，当温度未达到目标温度时，用物理升温方式来弥补过多的温降，如LF工序，计算规则见式10：
W电＝a×(目标温度-实际温度)+b×(目标温度-实际温度)/升温能力……(式10)，
其中，式中系数a为电能转换为热能的升温系数；b为由于钢水升温需在该设备多停留，由于设备本身热损失所需的热量系数。
在具体实施中，需要将上述建立好的炼钢物流周转模型与铁/钢水温度变化规则模型、设备能耗消耗规则模型及设备物质消耗规则模型进行关联，从而保证在炼钢物流周转模型依据设定的生产任务量和铁水或钢水的进厂节奏进行物流仿真过程中能够进行动态的单耗计算。具体的关联过程可以这样操作：将物流周转模型中的各个设备与能耗规则模型和设备物质消耗规则关联，得到各个设备工作时需消耗的能源介质类型和量的规则表，以及与产品品种和设备有关的物质消耗类型和量的规则表；还可以将铁/钢水温度变化规则与设备、罐和周转物质性质关联，得到铁/钢水在不同状态容器内在到达和离开不同处理设备的温度变化规则和要求。
更为具体的，可以通过以下四步完成：
步骤1：设置仿真的生产浇次计划和钢种路径，并根据浇次计划得到炉次计划；
步骤2：根据浇次计划和钢种路径得到铁/钢水温度变化规则模型中的设备处理目标温度；
步骤3：通过各仿真模块的设备属性，设置设备能耗规则模型中各工作制度和相关的时间；
步骤4：在仿真模型边界条件中，输入设定该厂设备物质消耗规则和温度变化规则模型中操作工艺和规则系数。
通过上述的阐述和说明，可以清楚的知道整个仿真过程可以包括两个阶段，即：
在仿真初始状态阶段，炼钢物流周转模型仿真各罐铁/钢水获取其成分、温度、重量信息、进入系统时间；
在仿真过程阶段，模拟完成浇次计划所需的加工生产过程，随仿真推进为每一罐进入系统的铁/钢水安排了目标成分和最终温度，当其到达设备时，根据到达时刻、上一设备离开时刻、铁/钢水属性、承载容器属性调用铁/钢水温度变化规则，计算到达温度；在设备处理结束时，根据铁/钢水信息、设备信息分别调用铁/钢水温度变化规则模型、能源介质消耗规则和物质消耗规则，计算该罐铁/钢水在该设备处理后温度、消耗能源介质量和类型以及物质消耗量和类型。
具体过程如下所述：
步骤1：仿真初始化过程，初始化各罐的等级，代表铁/钢水的罐内物质根据进入系统时间，初始成分、温度，并从炉次计划中得到目标钢种，由目标钢种信息得到其工艺路径，在各工序的目标成分和目标温度；
步骤2：仿真运行过程中，当完成该工序的处理后，根据物质的目标钢种查找下一工艺处理设备，当下一处理设备空闲状态时，则选择合适的起重机设备将其物质吊运至下一工艺处理设备，当起重机开始工作时，代表该设备的仿真模块中的设备能耗规则模型同时实时记录此时起重机的状态的变化：运动、起罐、运动、落罐。当起重机完成作业时，根据状态变化记录得到不同状态的工作时间，启动设备能耗规则模型计算所消耗的电量，并将这些消耗量计入过程数据模型，便于事后统计分析；同时根据铁/钢水温度变化规则模型计算物质单元的实时温度；
步骤3：当物质到达处理设备时，根据仿真模块中的作业属性实时记录在不同作业状态的处理时间，直到完成所有作业步骤，根据代表该设备的仿真模块中的设备能耗规则模型中的工作制度计算相应的工作时间，从而得到设备完成生产所需要消耗的电、气、水；根据仿真模块代表的工序属性，启用设备物质消耗规则模型，根据物质单元到达的成分和温度，和目标成分温度按照相应的设备选择相应的规则类，从而计算所需消耗的金属料、辅料、合金料等物质，并将这些消耗量计入过程数据模型，便于事后统计分析。若物质在该设备处理完后需倒入另一罐中，则转入步骤4，否则直接转入步骤5；
步骤4：根据倒入罐的属性读取铁/钢水温度变化规则模型，计算铁/钢水倒入后的温度；
步骤5：重复步骤2、3、4，直到所有物质单元完成生产任务；
步骤6：仿真结束时，扫描所有设备的能耗规则模型，根据仿真时间计算所有工作制度为连续的能源介质耗量，并将其计入过程数据模型中。
在上述仿真结束时，可以根据过程数据模型中数据可统计得到各种物质在该生产条件下的单耗，通过设定各物质单价，自动统计得到不同设备、不同工序、不同钢种的生产成本，供用户分析。
本发明的有益效果在于：
1)通过物流模型定义、铁/钢水温度变化规则、设备能耗消耗规则和设备物质消耗规则的建立以及与物流模型的关联，提供了相对通用的炼钢连铸车间的动态生产运行成本仿真表达方法，解决了炼钢生产不同工艺布局、设备配置、产品类型和工艺路径带来生产过程不同的仿真表示。
2)仿真模型与铁/钢水温度变化规则、设备能耗规则、设备物质消耗规则相关联，不仅可实现对炼钢生产过程模拟，分析产量完成情况，设备利用率，缓存区最大堆存个数和等待时间等物流情况，也可实时动态模拟不同设备不同时刻对各种能源介质、物质的需求情况，从而得到所模拟的生产条件下各种资源的吨钢消耗情况；解决了原有吨钢消耗指标的仅是静态统计分析，难以分析不同生产条件对吨钢消耗的影响的难题。
3)通过设置物质单价并运行仿真模型可得到在所模拟生产条件下不同设备、不同工序、不同钢种的生产运行成本，从而为用户提供不同生产任务和生产组织策略下的生产成本，供其精细化管理。
综上所述，本发明由于在仿真物流生产调度过程中，融入了铁/钢水温度变化规则、设备物质消耗规则、设备能耗规则模型，可体现因物质单元在不同设备处理，导致处理时间、运输时间不同从而引起铁/钢水温度不同，由此带来物质消耗、能源介质消耗的不同，因此该方法可以动态体现因生产组织方式不同对生产运行成本带来的影响，准确动态地反映不同生产任务下生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于，包括：
仿真初始步骤：在炼钢物流周转模型中初始设定生产任务量和铁水或钢水的进厂节奏，得到进行炼钢连铸的加工计划；
仿真运行步骤：模拟所述加工计划所对应的生产过程，并在所述生产过程中动态调用相应的规则计算模型来计算铁/钢水的温度变化、能源介质消耗量和物质消耗量，所述规则计算模型和炼钢物流周转模型为预先建立的数学模型，其中，所述规则计算模型包括铁/钢水温度变化规则模型、设备能耗消耗规则模型及设备物质消耗规则模型。
2.根据权利要求1所述的炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于：所述炼钢物流周转模型的建立方法包括：
选择合适的物流模块，根据工艺方案搭建形成相应的炼钢物流周转模型，其中，各所述物流模块具体包含模型属性、作业属性和设备属性。
3.根据权利要求2所述的炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于：
所述模型属性包括工序名称、所属跨、吊运点位置信息；
所述作业属性包括描述代表不同成分的物质单元在该设备加工为目标成分所需进行的步骤和处理时间；
所述设备属性包括描述该设备运转所需消耗的能源介质，所述能源介质包括水、电、气。
4.根据权利要求1所述的炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于：所述铁/钢水温度变化规则模型的建立步骤法包括：
设置不同钢种在不同设备的目标温度；
建立各设备作业与铁/钢水温度变化关系，包括兑铁时铁水温降与兑铁时间关系：
T铁/钢水＝t铁/钢水-a×t兑铁，
其中，关系式中的温降系数a可通过对现场数据的统计分析或实验检测得到；
建立满包铁水和钢水在不同过程的温降与时间关系，包括出钢时钢水温降与出钢时间、钢水罐状态的关系：
其中，关系式中的温降系数a1、a2、a3……可通过对现场数据的统计分析或实验检测得到，A、B、C罐级可以依据罐的罐龄和空包内衬温度进行划分；
建立空铁包和钢包在不同过程的温度变化与时间关系，包括描述是否进行底吹、不同底吹流量、是否加盖等不同炼钢工艺条件下铁水/钢水的运输过程温降关系：
其中，关系式中的温降系数b1、b2、b3、c1、c2、……可通过对现场数据的统计分析或实验检测得到，底吹流量大小根据钢厂生产要求划分。
5.根据权利要求3所述的炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于：所述设置不同钢种在不同设备的目标温度的方法包括：根据炼钢工艺要求，按钢种设置关键工序点的目标温度，其中，所述目标温度包括各钢种转炉出钢温度、各钢种凝固温度和过热度。
6.根据权利要求1所述的炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于：所述设备能耗规则模型的建立步骤包括：
设备运转所需消耗的能源介质，根据炼钢连铸生产过程中的设备特征建立能源介质与设备运行消耗关系，包括不同设备消耗能源介质属性、消耗量、消耗制度；
其中，所消耗的能源介质为设备运转所需消耗的能源介质。
7.根据权利要求1所述的炼钢连铸车间动态生产运行的仿真方法，其特征在于：所述设备物质消耗规则模型的建立步骤包括：
根据炼钢连铸生产过程各工序的冶金原理，构建物质消耗与产品品种的关系，其中，所述物质包括金属料、辅料、合金料、耐火材料；
依据所述关系和初始铁/钢水的温度、成分和重量情况计算为达到产品品种的成分、温度、重量要求所需要消耗的物质种类和量。
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