（机械电子工程专业论文）水钢炼钢—连铸工序的物流匹配研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 钢铁制造流程中各工序间的衔接匹配工程是随着冶金工序功能的演进和钢厂结构的 优化而不断发展起来的新命题。钢铁制造流程工序间衔接匹配工程主要体现在过程的物质 流管制、能量管制、质量管制，及在此基础上的信息管制，基础则在于工序间各项重要参 数的衔接、匹配、连续和稳定。据此对铁水预处理模式、合理配置及其与转炉、连铸的协 同作用进行分析。并对生产物流的工序匹配进行分析与优化以及建立生产流程的仿真模 型。( 论文最后应用仿真软件e x t e n d l t 对整个生产流程进行了仿真分析及优化) ，对水钢炼 钢厂的生产具有一定的指导意义。 本文以钢铁制造流程多维物流管制系统理论和冶金学理论为依据，对水钢一二炼钢生 产现场实测数据进行了统计分析，并对时间、温度等物流参数进行了数字解析。 ( 1 ) 对水钢炼钢厂的各工序的时间参数进行了统计分析，得出了各工序时间参数的统 计规律，并应用时间研究方法对各工序的生产节拍进行了研究。通过上述研究，找出了影 响生产效率的关键工序。 ( 2 ) 对水钢炼钢厂的各工序的温度参数进行了统计分析，通过对实际温度与理想温度 的偏差进行对比分析，探讨了温度波动的成因，并制定了各工序的温度调控范围。 ( 3 ) 结合水钢一二炼钢厂的生产设备以及运转情况，对水钢炼钢厂生产流程中衔接匹 配问题进行了分析，分析了水钢炼钢厂钢包的物流现状，建立了钢包周转时间的优化模型， 对理想的钢包周转个数进行了优化。 ( 4 ) 对水钢炼钢厂转炉和连铸工序的生产能力进行了匹配研究，并对转炉的周期进行 了优化，提出了两个工序间的物流调控方案。 ( 5 ) 最后应用e x t e n d l t 软件，建立了炼钢到连铸的生产流程的仿真模型，对整个流程 进行了仿真分析和优化，仿真结果进一步验证了上述的解析分析结果。 关键词：物流；工序匹配；仿真；模型 a b s t r a c t t h ec o n n e c t i n ga n dm a t c h i n go fs t e e l - m a k i n gp r o c e s si s an e wi s s u ew h i c hh a sb e e n d e v e l o p e dw i t ht h ep r o g r e s so fm e t a l l u r g i c a lu n i t sf u n c t i o na n d t h eo p t i m i z a t i o no fs t e e lp l a n t s t r u c t u r e i ti n c l u d e sl o g i s t i c sc o n t r o l ，e n e r g yc o n t r o l ，q u a l i t yc o n t r o la n di n f o r m a t i o nc o n t r o l a n dt h eb a s i si st h ec o n n e c t i n g ，m a t c h i n g ，c o n t i n u i n ga n ds t a b i l i z i n go fe v e r yi m p o r t a n t p a f a l l l e t e rb e t w e e nt h eu n i t s t h er e a s o n a b l em o d e la n dc o l l o c a t i o no fi r o np r e t r e a t m e n ta n d i t s c o o p e r a t i o nw i t hb l a s tf u r n a c e sa n dc o n y e r t e r sa r ea n a l y z e di nt h ea r t i c l e t h ep r o c e s sm a t c h i n g o fp r o d u c t i o nl o g i s t i c si sa n a l y z e da n do p t i m i z e d ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d ( f i n a l l y t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z a t i o nt ot h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s sh a sc a r r i e do u ti n t h i sp a p e rb ya p p l y i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ee x t e n d l t ) i th a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo nt h es t e e l p r o d u c t i o n b a s e do nt h em u l t i d i m e n s i o n a ll o g i s t i c sc o n t r o ls y s t e mt h e o r yo ft h es t e e lm a n u f a c t u r i n g p r o c e s sa n dt h et h e o r i e so fm e t a l l u r g y ，a n a l y z e dt h es p o tm e a s u r e dd a t a o fn o 1a n dn o 2 s t e e l m a k i n gp l a n t sb yu s i n g s t a t i s t i c a lm e t h o d ，a n da l s ot i m e ，t e m p e r a t u r ea n do t h e rp a r a m e t e r s 。 ( 1 ) i ta n a l y i z e da l lt h et i m ep r o c e s sp a r a m e t e r sb yu s i n g s t a t i s t i c a lm e t h o d ，i ti sc o n c l u d e d t h a tt h es t a t i s t i c sl a wo ft h ep r o c e s st i m ep a r a m e t e r sa n da p p l i e dt i m es t u d ym e t h o dt or e s e a r c h t ot h er h y t h m so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h r o u g ht h i sr e s e a r c ht oi d e n t i f yt h ek e yp r o d u c t i o n p r o c e s s e sw h i c hi m p a c to nt h ee f f i c i e n c y ( 2 ) i ta n a l y i z e da l lt h et e m p e r a t u r ep r o c e s sp a r a m e t e r sb yu s i n gs t a t i s t i c a l m e t h o d ， t h r o u g hc a n i n go nt h ec o n t r a s t i v ea n a l y s i st ot h ea c t u a lt e m p e r a t u r e a n dt h ei d e a lt e m p e r a t u r e 。s d e v i a t i 0 i n i th a sd i s c u s s e dt h ef o r m i n gr e a s o no ft h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o no r i g i n ，a n dh a s f o r m u l a t e dt h et e m p e r a t u r er e g u l a t i o ns c o p eo fv a r i o u sw o r k i n gp r o c e d u r e s ( 3 ) i nc o n s i d e r a t i o no fp r o d u c t i o ne q u i p m e n t sa n do p e r a t i o ns t a t u so fs h u i c h e n g i r o na n d s t e e lc o m p a n yn o 1a n dn o 2s t e e l m a k i n gp l a n t s ，t h ec o n n e c t i n ga n dm a t c h i n gp r o b l e m so f i ta r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n gl o g i s t i c ss t a t u s o fs t e e ll a d l e ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h eo p t i m i z e d m o d e lf o rh o tm e t a ll a d l et u r nr o u n dt i m e ，l a d l eo nt h ei d e a ln u m b e ro fw o r k i n gc a p i t a lh a sb e e n o p t i m i z e d t h ep r o d u c t i v i t ym a t c ho ft h ec o n v e r t e r sa n dc cm a c h i n eo fs t e e l m a k i n gp l a n t so f s h u i s t e e lh a sb e e na n a l y z e d ，a n do p t i m i z e dt h ec y c l eo ft h ec o n v e r t e r s ，r a i s e dt h el o g i s t i c s c o n t r o lp r o g r a m m eo ft w op r o c e s s e s 佑) f i n a l l ys i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec o n v e r t e r c cm a c h i n ep r o d u c t i o np r o c e s s i se s t a b l i s h e d b ya p p l y i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ee x t e n d l t i th a sc a r d e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s a n dt h e o p t i m i z a t i o nt ot h ee n t i r ef l o w t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sf u r t h e rc o n f i r m e dt h ea b o v ea n a l y s i s r e s u l t k e yw o r d s ：l o g i s t i c s ；p r o c e s sm a t c h i n g ；s i m u l a t i o n ；m o d e l 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：立4 逡日期： 至q q 墨生垒月至量旦 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名：星选墼： 指导教师签名：签墨涸堇 日 期： 垄q q 墨生4 月2 5 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第一章文献综述 钢铁工业是国民经济的基础产业，钢铁是诸多使用领域中的“必选”材料，是人类社 会不可替代的结构材料和产量最大、覆盖面很广的功能材料【1 j 。 我国是世界第一产钢大国，年产量超过一亿吨，经过5 0 多年的发展，我国钢铁业已经 形成了完整的工业体系。现在摆在面前的问题是如何应对品种、质量、结构及市场竞争力 等多方面挑战。只有尽快加速我国钢铁工业结构调整的步伐，变粗放型为集约型，用先进的 科学理论指导企业逐步完成技术改造，才能最终实现我国钢铁工业的整体优化，真正以一个 钢铁强国立足于世界。 1 2 钢铁工业的发展史 1 2 1 回顾钢铁工业的发展历史 回顾2 0 世纪国际钢铁工业的发展历史，就是很鲜明的结构调整史。就钢铁企业而言，一 批落后的工艺、装备被淘汰，一批工艺、装备渐进性地改进，一批工艺、装备创新地发展。 在此过程中不断引起钢铁企业生产流程的优化重组，这是2 0 世纪钢铁企业结构优化的基础 性因素。就钢铁工业而言，一批结构落后的企业被淘汰，一批经过改造后结构调整了的企业 继续生存、发展，一批技术创新、结构创新的企业新建，这是市场竞争过程中的必然现象【2 剖。 整个2 0 世纪，国际钢铁工业得到大发展，同时也经历了不断的结构调整和产业升级的过程。 总的来看，技术进步往往是结构调整、结构化的起因或动力，而市场供求状况、资金效益和 环境则是促进或制约因素1 7 圳。 1 2 2 近年钢铁技术的发展历程 流程制造业进入2 1 世纪后，在信息技术蓬勃发展的影响下，在制造流程的工程设计、生 产运行和经营管理上面临着如何充分利用以计算机为核心的信息技术的挑战，钢铁制造流 程的整体信息化应该是在制造流程重组优化基础上的信息化，应该是物质流、能量流、信息 流之间互动的综合信息化。钢厂也面临环境与生态问题的挑战以及如何积极主动地实现生 态化转型，进而融入循环经济社会中去。l l 这些命题不能只从某一产品的研究来解决，也不能只从某一装置的工艺学问来解决， 而只能从流程整体的过程工程的层面上来解决。随着基础理论的深化和各种成功实验的开 发，钢铁生产过程中各工序的技术表达方式已经并将迸一步发生明显变化，大体上是按照工 序功能分析、分解和优化、工序功能在工程上的组合和工序间的衔接、匹配等途径，以革命 的或渐进的方式发展。钢铁工业诞生初期进入工业化阶段后，生产是建立在技艺传授基础 上；到2 0 世纪3 0 5 0 年代，钢铁制造有了相应理论作指导；7 0 年代随着热力学、动力学、反 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 应工程学、金属物理等研究的不断深入，相继出现了氧气顶吹转炉、精炼炉、大型高炉、高 速轧机等设备，流程技术含金量越来越高，钢铁工业取得了长足进步，但研究工作仍停留在某 一反应、某一单元装置功能上，没有达到全流程范围的提高；7 0 8 0 年代随着金属凝固理 论的深化和能源价格上升，连铸技术得以迅速发展，直至全连铸流程兴起，致使初轧机、平炉 被淘汰，钢厂产品向专业化、系列化发展，人们开始注意从钢厂整体结构优化出发，在各工序 功能分解、优化的基础上，对相邻工序功能的衔接、匹配以及若干区段内流程系统的重组； 1 9 8 9 年以来，近终型连铸技术问世，薄板坯连铸连轧工艺得以工艺化，出现了全新的“紧凑 化 流程的钢厂，整个工厂的流程系统结构及其控制、协调和优化提到突出位置上，钢厂设 计的工程逻辑由原有的“叠加一蔓延一万能化”向“临界一紧凑一专业化”方向迈进，钢厂 在向以多维物流管制系统为目标的高技术集成方向升华，钢厂结构迸一步优化。 而到了2 1 世纪，钢铁工业的结构调整，必须综合考虑市场需求、技术进步、投资效益、 环境保护( 环境友好) 等因素。因此产生了一新的研究领域即钢铁制造流程多维物流管制。 钢铁生产流程是包括原料准备、储运、烧结、焦化、炼铁、铁水预处理、炼钢、钢水二次 冶金、凝固成型、轧钢、深加工等多个工序的准连续间歇过程，其物流管制系统是一个集 成了物质管制、能量管制、质量管制、信息管制的多维数、多层次、多目标的冶金战略工 程系统一多维过程物流管制系统，其基本着眼点是流程中诸工序间各项重要参数( 时间、 温度、物质流量为基本参数) 的衔接、匹配、连续、稳定；同时从过程科学看，则是立足于 工序功能的解析优化和工序关系的调整优化，进而实现钢厂结构的组合优化，并以市场竞 争力为目标，对企业的产品结构、工艺过程的重组、装备水平和能力、合理的经济规模做 出调整和优化1 1 1 j 。 因此钢铁工业要想具备市场竞争力和可持续发展动力，需以新的视角认识自身问题，提 出新的概念来解决目前存在的诸多不合理【1 2 】。运用系统科学、冶金过程学、信息科学、管 理科学、数理知识、经济学等知识，对钢铁企业产品结构、工艺流程优化重组，对装备功能 水平及能力评估和开发，对钢厂合理规模以及环境友好程度妥善安排，开展工序及工序功能 集的解析优化，工序关系集的协调优化和流程工序集的重构优化是刻不容缓的研究核心。 1 2 3 炼钢工序工艺的发展 在钢铁生产流程中，炼钢生产过程作为钢铁制造过程中衔接炼铁和轧钢的子系统，是 流程中承上启下的核心环节，其运行的均衡和稳定不仅影响自身的综合性能指标，而且还 会影响炼铁和轧钢子系统的畅通。与炼铁和轧钢子系统进行比较，炼钢生产过程是近年来 最具变革性的。2 0 世纪前半叶，平炉炼钢工艺蓬勃发展，取代了大量的空气底吹转炉，而电炉 则只在生产优质钢的企业中发展起来。二次世界大战以后，氧气转炉、二次冶金、连续铸钢、 铁水预处理、超高功率电炉等工艺技术和现代化装备日益发展完善，相应地平炉、小电炉、 模铸、混铁炉等工艺装备被逐步淘汰，其意义不仅影响到炼钢厂的生产流程结构，而且影响 到钢铁企业的产品结构、合理规模和市场竞争力。随着科学研究不断深化，技术开发的不断 创新，逐步认识到必须对炼钢炉的功能进行解析与集成，现代氧气转炉的功能将优化为脱 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 碳、升温和少量脱磷上。其它功能( 包括脱磷) 应分别由铁水预处理或二次冶金装置解析、 分担。铁水预处理工艺对现代氧气转炉炼钢厂而言，尤显重要。其重要性已从原来冶炼一些 对含硫要求特别严的钢种开始，发展成为炼铁炼钢一凝固过程优化不可分割的重要环节。 由于采用转炉预处理铁水进行脱磷工艺的创新开发，正在形成一种全量铁水进行“在线三 脱”处理的技术进步模式。“在线全三脱 的概念是指所有进入转炉炼钢的铁水都要分别 经过不同装备进行“三脱1 3 9 1 。 1 3 钢铁制造流程系统的衔接匹配研究现状 1 3 1 钢铁制造流程多维物流控制系统的研究 钢铁制造流程系统是物态转变、物性控制和物流管制相互融合在一起的过程体系，是庞 大的多维物流控制系统。它隶属于制造业中的过程工业，是将原料经一系列的改变其物理、 化学性质为目的加工一变形处理，获得具有特定物理化学性质或特定用途产品的工业。研究 探索钢铁制造流程系统要依照研究过程工程的入手点，首先从制造过程整体的高度来研究 认识整个工艺流程中的物质流、能量流、信息流的优化集成问题，揭示它的本质和运行规律， 进而指导企业生产运行、工业设计和技术改造、结构调整、产品结构优化、生产规模合理 化以及企业未来发展方向等问题【捌。基于钢铁制造流程长、工序多且在制品需高温处理并 于流程中形状会出现显著物理和化学变化、流程中的物料流是时间、物料、能量、质量和 信息五大因素的载体和基础的特点，中国工程院殷瑞钰院士在国内首次提出了“钢铁制造流 程多维物流管制 新概念l l 。 1 3 2 钢铁制造流程系统的衔接匹配问题的研究 本文将着重研究钢铁制造流程系统的衔接匹配问题 钢铁制造流程的衔接匹配一方面对钢水质量提出了严格的要求，另一方面对过程温度 时间的稳定控制也提出严格的要求，主要包含以下内容：过程各工序时间节奏的衔接匹 配、如由参考文献得知过程各工序温度命中率、过程温度降一时间的关系等。随着铁水预 处理、二次冶金和连铸技术的发展，钢厂流程的本质发生了根本的转变，生产过程不断向 “连续化 方向发展，由此导致过程时间、温度、流量等参数内涵的改变和控制方式的转 变，同时也成为影响钢厂投资的重要参数。本文将在综合分析大量相关资料的基础上，对 钢厂的系统结构进行了解析，并就工序间衔接匹配关系进行讨论研究。 工序之间的衔接、匹配工程，主要体现在过程的物流管制、能量管制、质量管制，及 在此基础上的信息管制。在这些管制体系中，基本的主流是物质流管制，钢铁制造过中物 流管制本身就包含有能量、状态、质量等管制内涵，要解决好钢铁生产流程中物流管制的 诸多重要环节的协调匹配，基础在于多工序间各项重要参数的衔接、匹配、连续、稳定， 下述工艺参数均应在考虑的范围之内1 2 u ： 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 物流在状态和数量上的转变、传递、衔接和匹配： ( 2 ) 物流在时间节奏上的协调、适应和配合； ( 3 ) 物流过程中金属由液态转变为固态并获得一定儿何尺寸的铸坯，进而进行断面状和尺 寸的转变、传递、衔接和匹配； ( 4 ) 物流在温度和能量的转变、传递、衔接和节约； ( 5 ) 物流过程中钢的表面质量、宏观结构、微观结构以及性能的转变、遗传和控制； ( 6 ) 物流传输方向、方式的调整、衔接和优化。 要实现上述诸多方面的衔接、匹配，不仅要依靠各单体工序的功能优化和装备可靠性、 可控性的提高，而且还要十分重视相邻工序之间承担输送和调节作用的机械物理硬件的能 力和功能的优化，使之能够成为各工序之间实现匹配、衔接、调控作用的柔性“活套 。 原高炉一转炉之间衔接匹配的“活套”是混铁炉，由于鱼雷罐式运铁车和铁水预处理技术 的采用，进而成为一个独立工序，逐渐取代了混铁炉。而炼钢炉一浇注成型系统之间衔接 匹配的“活套”，原来只有钢包，随着二次冶金的发展，炉外精炼装置能够调控的工艺参 数更多且有效，扩大了炼钢炉一浇注成型系统之间的衔接、匹配的内涵和“活套”能力。 另外中间包装备技术和中间包冶金技术的发展，也扩大了炉外精炼装置与连铸机之间的 “活套 内涵和能力。浇注成型系统一热轧机之间的衔接匹配的“活套”，原来是均热炉、 加热炉以及钢锭库，随着连铸坯一热轧机之间的高温热连接技术的开发成功，其“活套” 的形式、内涵、能力同样发生了深刻的变化。l f 钢包精炼炉利用电极加热原理进行钢水 成分和温度微调整( 如补偿运输过程的温降) ，提高钢水洁净度、脱硫并提高合金收得率。 ：霪篓鬈嚣篓蓑美黎o “c ! c c r ) 7n 卷取装置 2 一连铸坯冷装炉轧制( 一 ，j 3 4 ：凳簇蓖霪鬈銎型毒嘉嚣景名j ( c c d h c r ) 缓冲加热热轧炉 一无缺陷连铸坯直接热装炉轧制 )发什月u嫩女热扎矿 5 ：篱蓑篆塞熬掣0 m66oo一薄板坯连铸连轧 ， 7 一薄带连铸 角部加热热轧炉 高炉与铁水之问： 5u u ，一鐾蛮凳鎏譬筮王进转炉 加热炉热轧炉 ：粼莲馓枞泐荆卢二次 4 石。b c 一铁水脱硅、脱硫、脱磷入转炉( 脱碳升温) 一。 4 t j【j 硅怕 一叭 一一 脱硫脱硅一脱磷( 脱菇弄温) 冶金连铸 热清炉加热炉热轧炉 ooooo 3 ooo 乒兰煺声鼍2 冷清炉加热炉热轧炉 粼户c o o 。9 鲥白2 芍芍脊高炉 脱硫 转炉 uuu o bo o 碱机 a 混铁炉转炉 ， 模铸均热炉f 坯机加热炉二次成材 oo 一：ooo oo 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 钢厂的制造流程不断发生演变与革新，特别是不少单元工序在工艺上、装备上革命性 变革的推动下( 例如氧气转炉、钢水精炼、铁水预处理、大型电炉、连续铸锭、连续轧制等 先进工艺、装备的发展和贝氏麦转炉、托马斯转炉、平炉、小电炉、混铁炉、模铸、初轧 机、开坯机的相继被淘汰) ，使得钢厂制造流程发生了巨大的变化( 见图1 1 ) 【2 2 1 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章水钢炼钢厂炼钢一连铸衔接匹配问题的分析 2 1 水钢炼钢厂生产过程物流现状 2 1 1 水钢炼钢厂的生产模式 水钢一炼钢的生产模式： 2 5 吨转炉( 1 号、2 号、3 号)歇氩精炼站o 、3 、4 号连铸机 l - l f 精炼：炉- 3 号连铸机 水钢二炼钢的生产模式： 1 0 0 吨转炉( 1 号、2 2 1 2 水钢炼钢厂的生产物流现状 、2 号连铸机 水钢炼钢厂的主要设备及工序情况。 ( 1 ) 、一炼钢( 2 5 t 转炉) 部分 生产流程主要设备有：三座2 5 t 转炉、三座在线吹氩站、一座l f 精炼炉、三台3 机3 流的小方坯连铸机，具体情况： a 炼钢工序 三座工程容量为2 5 吨的氧气顶吹转炉、日产钢6 9 炉、平均出钢量3 0 0 7 吨，平均冶 炼周期普通钢( 低合金钢、普碳钢、低碳钢) 2 6 7 7 分钟，品种钢( 3 嘴7 皑) 平均冶炼 周期3 5 分钟，采用溅渣护炉结合镁碳砖贴补护炉，转炉平均炉龄1 5 0 0 0 炉。 b 精炼工序 三座在线吹氩站，供氩压力为0 3 m p a o 5 m p a ，吹氩时间普碳钢 4 分3 0 秒，低合金 5 分钟；一座3 0 吨的l f 转炉，加热速率3 5 分钟，脱硫率5 0 。 c 连铸工序 三台小方坯连铸机，浇注断面1 5 0 1 5 0 m m ，弧形半径r 6 0 m ，最高拉速达2 5 3 州m i n ，单流产量最高达2 0 万吨年。 d 钢包使用情况 公称容量为3 0 吨，正常周转钢包个数1 2 个，备用6 个。 e 天车情况 现有2 3 台天车，出渣跨2 台、加料跨7 台、浇注跨8 台、过度跨3 台、短坯出坯跨5 台，长坯出坯跨5 台。 ( 2 ) 、二炼钢( 1 0 0 吨转炉) 部分 生产流程设备主要有：二座1 0 0 t 转炉、二座在线吹氩站、一座l f 精炼炉，两台6 机 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 6 流的小方坯连铸机，具体情况： a 炼钢工序 两座公称容量为1 0 0 吨的氧气顶底复吹转炉，日产钢4 6 炉，平均出钢量8 6 8 5 吨，平 均冶炼周期普通钢( 低合金钢、普碳钢、低碳钢) 3 8 6 5 分钟，采用溅渣护炉工艺，转炉 平均炉龄1 2 0 0 0 炉。 b 精炼工序 两座在线吹氩精炼站，供氩压力为0 3 0 5 m p a ，吹氩时间低合金钢5 分钟；一座 8 0 吨的l f 转炉( 在建中) 。 c 连铸工序 2 台小方坯连铸机，浇注断面1 5 0 1 5 0 m m ，弧形半径r 1 0 0 m m ，最高拉速达2 5 3 m m i n ，单流产量最高达1 6 万吨年。 d 钢包使用情况 公称容量为1 0 0 吨，正常周转钢包个数9 个，备用4 个。 e 脱硫工序 现有铁水预脱硫站一座，采用喷吹钝化颗粒镁工艺及旋转捞渣机捞渣工艺。 f 天车情况 现有1 8 台天车。 2 2 水钢炼钢厂时间因素的解析 时间是钢铁制造流程系统中的一个重要工艺参数，对炼钢厂而言，它包括了各工序作 业开始、结束、时间长短、时间节奏等等。必须对生产过程中的时间因素进行解析，掌握 各工序操作时间范围等参数，为进一步改进生产模式、优化生产工艺提供可靠依据。时间 参数的解析是钢铁制造过程物质流解析的基础与核心。 2 2 1 炼钢工序时间因素解析 下面是炼钢工序的时间因素解析表： 表2 1 炼钢工序时间因素解析表 序号事件说明转炉样本数最大值最小值平均值 ( 秒)( 秒) ( 秒) 12 5 t1 1 51 8 53 01 2 6 2加废钢时间1 0 0 t7 02 1 05 91 7 5 3 加废钢到兑 2 5 t6 03 0 01 2 08 0 4 铁水时间 1 0 0 t7 03 6 54 01 2 2 52 5 t 1 0 51 6 5 6 51 0 3 6兑铁水时间1 0 0 t6 52 5 31 2 71 5 7 72 5 t1 0 61 3 7 87 3 58 1 7 2 8吹氧时间1 0 0 t5 81 0 5 38 4 38 9 4 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 5 t 5 14 1 0 9 01 5 5 9 出钢普通l o o t1 1 54 2 51 5 11 8 5 时间 钢 品种 2 5 t3 24 1 0 1 5 21 7 9 钢 2 5 t5 11 9 6 51 3 2 61 6 0 6 1 0冶炼普通l o o t5 12 8 8 01 9 8 02 3 1 9 周期钢 品种2 5 t3 02 4 1 31 5 0 51 9 7 2 钢 注：2 5 t 指公称容量为2 5 吨的转炉；1 0 0 t 指公称容量为1 0 0 吨的转炉。其中只有2 5 吨的转炉生产 特种钢。 由时间分析解析表可看出2 5 t 转炉的平均吹氧时间1 3 6 2 m i n ，吹氧时间偏长；l o o t 转炉 的吹氧时间为1 4 9 m i n ，吹氧时间较合理( 对于8 0 吨转炉，要求吹氧时间为1 4 分钟左右) ；普 通钢的2 5 t 转炉冶炼周期为2 6 7 7 分钟，1 0 0 t 转炉的冶炼周期为3 8 6 5 分钟，品种钢2 5 t 转 炉的冶炼周期为3 2 8 7 分钟，转炉的冶炼周期较长，且波动大，与连铸机能力不匹配，不 能稳定、及时提供合格钢水，导致连浇炉数低、连铸机生产能力没有充分发挥。应采取措 施，保证原、燃料的供给，减少补吹率，提高一次命中率，从而缩短冶炼周期，降低出钢 温度。下面是炼钢厂的补吹频率分布图： 频 率 时间( 单位：秒) 图2 1 炼钢厂转炉一次补吹时间统计分布图 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 频 塞 1 2 0 时间弹位：秒) 图2 2 炼钢厂转炉二次补吹时间统计分布图 2 2 2 转炉出钢毕一精炼工序运输时间解析 在现代化的初炼炉( 转炉或电炉广炉外精炼一连铸生产流程中，初炼炉对钢水温度的 控制担负着“粗调”的作用，而炉外精炼起“微调”作用，其中l f 钢包炉作为一种精炼方 法已经成为炼钢一连铸生产流程中重要的中间环节，它在精炼过程中对温度控制和成分的 调整将直接影响连铸坯的质量和生产的顺行。l f 钢包炉精炼终点钢水温度直接影响连铸的 浇注，并关系到整个炼钢工艺过程的顺利进行【2 3 1 ，下面是水钢精炼站的时间因素解析表。 表z 22 5 t 转炉转炉出钢毕一精炼工序运输时间因素解析表 序事件说明样本数最大值最小值平均值 号( 秒)( 秒)( 秒) 11 # 转炉出钢毕到1 # 吹加站运输时间 3 5 1 2 13 76 7 22 # 转炉出钢毕到1 # 吹站运输时间1 53 0 5 1 2 3 2 1 0 33 # 转炉出钢毕到1 # 吹站运输时间1 43 6 71 7 52 2 5 41 # 转炉出钢毕到2 # 吹m 站运输时间 3 0 3 0 21 5 02 1 0 52 # 转炉出钢毕到2 # 吹肘站运输时间3 61 2 8 4 7 7 5 6 3 # 转炉出钢毕到2 # 吹站运输时间 3 71 3 25 08 9 71 # 转炉出钢毕剑3 # 吹加站运输时间3 21 5 6 4 29 2 8 2 # 转炉出钢毕到3 # 吹站运输时间 3 01 4 67 18 6 9 3 # 转炉出钢毕到3 # 吹站运输时间 3 11 0 94 58 1 1 0 1 # 转炉出钢毕到l f 钢包炉运输时间1 53 6 0 2 0 0 2 8 0 转炉到吹氩站的平均运输时间为1 1 4 7 分钟，运输时间较合理，且最小运输时间小于 一分钟，所以运输时间仍有进一步缩短的可能。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 31 0 0 t 转炉转炉出钢毕一精炼工序运输时间因素解析表 最人值最小值平均值 序号事件说明样本数 ( 秒)( 秒)( 秒) 1 1 # 转炉出钢毕到1 # 吹a r 站运输时间 3 51 571 1 2 2 # 转炉出钢毕到1 # 吹站运输时间 1 51 991 3 33 # 转炉出钢毕剑1 # 吹站运输时间1 4 1 351 0 4 1 # 转炉出钢毕到2 # 吹a r 站运输时间 3 01 691 3 5 2 # 转炉出钢毕剑2 # 吹a r 站运输时间 3 61 51 01 2 63 # 转炉出钢毕到2 # 吹站运输时间 3 71 81 11 5 7 1 # 转炉出钢毕到3 # 吹a r 站运输时间 3 21 61 21 3 8 2 # 转炉出钢毕到3 # 吹a r 站运输时间 3 01 71 11 4 9 3 # 转炉出钢毕到3 # 吹a r 站运输时间3 1 1 6 1 01 0 1 0 1 # 转炉出钢毕到l f 钢包炉运输时间 1 53 6 51 8 63 0 5 2 5 t 转炉到吹氩站或精炼炉的运输时间最长为5 分钟，最短为1 0 秒钟，且平均运输时 间较低。但从时间解析表上可以看出，转炉到精炼站的运输时间不稳定，还可以缩短转炉 到吹氩站的运输时间，提高生产节奏。 2 2 3 精炼工序时间因素解析 水钢炼钢厂精炼工序包括吹氩和l f 炉即钢包炉精炼，吹氩具有降低钢液中的有害气 体h 2 ，n 2 ，进一步去除钢中的氧气的功能，同时氩气气泡在钢液中上浮而引起强烈的搅拌， 提供了气相成核和央杂物颗粒碰撞的机会，有利于气体和夹杂物的排除，并使钢液的温度 和成分均匀【2 4 】。下面是吹氩时间因素解析表。 表2 4 吹a r 站时间因素解析表 序事件说明吹a r 站样本数最人值最小值平均值 号( 秒)( 秒)( 秒) 钢水在吹a r 站等待 10o0 1 处理时间 2 o o 0 3000 2 5 t ( m n s i ) 3 53 6 53 0 53 1 8 2 吹氩处理时间 2 5 t ( q 2 3 5 ) 4 7 3 5 9 2 7 02 9 5 1 0 0 t ( m n s i ) 4 54 5 03 0 53 2 1 1 0 0 t ( 0 2 3 5 ) 2 16 1 04 8 15 3 1 钢水在吹a r 站停留 2 5 t6 53 0 22 01 2 1 3 时间 1 0 0 t6 0 2 9 53 01 6 2 注：2 5 t 指公称容量为2 5 吨的转炉：1 0 0 t 指公称容量为1 0 0 吨的转炉。 l f 钢包炉具有电弧加热、去除夹杂、脱硫、吹氩搅拌等功能，能精确调整钢液成分和 温度，用于冶炼高级优质钢【2 5 之6 1 。u ；炉的时间因素解析表如下： 表2 5l f 钢包炉时间因素解析表 l 序号事件说明样本数最人值( 秒)最小值( 秒) 平均值( 秒) i 1 钢水等待加热时间4 56 0 03 0 04 2 5 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第一次通电加热时间 4 57 2 5 4 8 5 6 0 4 第二次通电加热时间3 76 0 41 7 53 9 3 2 通电加热总时间4 51 1 5 67 8 0】0 4 9 3 处理完毕到离开间隔 4 04 8 0 2 0 1 3 7 4 钢水在站内停留时间4 23 0 1 22 0 8 61 6 0 2 精炼工序钢水处理时问波动较大，影响到钢水温度、成分的稳定，造成了连铸生产的 不稳定。特别是在l f 炉内平均停留时间长，钢包在l f 炉精炼站处理时间为1 7 5 分钟，但 钢包在站内停留的总时间为2 6 7 分钟，停留时间较长，从精炼炉的时间因素解析表中可知 钢水等待加热和等待离开时间较长，造成在l f 站内无效等待时间所占比例较大：因此缩 短无效等待时间，加快钢包周转是应采取的措施。 研究提高l f 炉操作效率的方法，使之适应转炉一连铸生产流程的节奏。精炼是转炉、 连铸之间的柔性环节，应根据实际生产情况控制好两者之间的生产节奏，实现转炉和连铸 机生产的合理匹配。 2 2 4 精炼一连铸工序运输时间解析 表2 6 精炼站至连铸大包回转台运输时间因素解析表 序事件说明样最人值最小值平均值 号本( 秒)( 秒)( 秒) 数 1 吹站到铸机回转台运输时间( 2 5 0 3 74 2 01 2 32 4 7 2 吹心站剑铸机同转台运输时间( 1 0 0 t ) 2 93 9 21 2 72 5 6 运输时间不稳定，但运输时间均在合理的范围内，不影响生产的顺畅。 2 2 5 连铸工序时间因素解析 中间包是连铸生产的重要设备，包内的钢水温度直接影响连铸过程的顺利进行及铸坯 的质量。在连铸生产过程中，中间包钢水温度是影响成品质量及正常生产的主要因素，且 它对拉坯速度，浇铸速度，喷淋水量的调节起着重要作用 表2 7 连铸工序因素解析表 序号 事件铸机号 样本数最大值( 秒) 最小值( 秒)平均值( 秒) 1 钢包在回转台等待时间 2 5 t5 36 0 52 02 5 1 1 0 0 t 3 26 2 75 22 9 3 2 大包浇铸时间 2 5 t5 01 7 4 21 2 6 01 6 0 6 1 0 0 t2 92 4 3 72 0 1 02 1 4 2 3钢包在连铸上序2 5 t0oo 停留时间1 0 0 to0o 注：2 5 t 指公称容量为2 5 吨的转炉；1 0 0 t 指公称容量为1 0 0 吨的转炉。 连铸机浇注周期波动较大，是由于钢包到台等待时间较长，波动大，温降增加，使得 转炉出钢温度提高，钢水到台温度波动大，拉速相应降低，延长了浇注时间。钢包在回转 台的等待时间较长是由于钢包管理不合理，钢包运行路线众多，各工序间的协调性较差、 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 钢包无效等待时问较长、波动大；钢包温降不稳定等造成。 2 2 6 连铸机的解析参数 表2 8 各种铸机机的解析参数( 不同类别的铸机分别调研) 项目数据 铸坯盲径( 1 5 0 m m * 1 5 0r a m ) 3 机3 流铸坯直径( 1 5 0 m m * 1 5 0 m m ) 6 机6 流 平均值最大值最小值平均值最大值最小值 实际平均拉 2 3 2 81 12 431 5 速n r a i n 实际平均流 2 8315 264 数 浇注周期m i n 2 6 7 73 0 51 93 8 6 54 8 53 1 3 台时产量t h 6 7 08 7 31 1 41 2 9 71 8 7 16 2 3 三机三流的连铸机的浇注周期为2 6 7 7 分钟，拉速为2 3 米分钟，六机六流的连铸机的 浇注周期为3 8 6 5 分钟，浇注周期较长，浇注周期不稳定，是由于钢包到台等待时问较长， 波动大，温降增加，使得转炉出钢温度提高，钢水到台温度波动大，拉速相应降低，延长 了浇注时间。水钢连铸机的拉速最高可达3 米分钟，而实际的拉速只有2 3 , - - - 2 4 米秒，连 铸机没有得到充分发挥。所以应缩短转炉的冶炼周期，加快钢包的周转速度，使连铸机高 效生产。钢包浇注完后立刻离开回转台，没有无效等待时间，有利于钢包的j 下常运转。 2 3 水钢炼钢厂温度因素解析 温度是钢铁制造流程多维物流管制的另一重要工艺参数，对温度因素进行分析是为建 立合理的温度制度，确保生产过程物流的顺行。本文根据实测数据，对炼钢工序、精炼工 序、连铸工序的温度因素分别进行了解析。 高效连铸生产对钢水温度和成分等提出了更苛刻的要求，稳定钢水条件是稳定连铸生 产的保证。所以，提高转炉炼钢和炉外精炼的操作水平，做好连铸前钢水的准备是体现上述 技术思想的重要方面。转炉炉内钢水温度控制有较大的灵活性，出钢温度既要按钢种的要求 来定，而且还跟生产实际情况( 如钢种、调度) 来确定。转炉对钢水温度的控制应担负起“粗 调 的作用，炉外精炼应起“微调”作用。如果全流程的温度控制能做好，稳定的生产节奏 就会应运而生，为了实现上述设想，首先需建立一个合适的温度制度，然后逐步实行全流程钢 水温度的控制【2 刀。 2 3 1 水钢炼钢厂温度制度的建立 连铸钢水在各点处的温度为【2 7 1 ： t l4 - t ( 2 1 ) 其中：丁为过程温降和过热度之和，过程温降采用实际生产中测定的数据，小方坯连铸的过 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 热度取2 0 2 5 。乃为钢水的液相线温度，采用以下公式计算【2 7 】： 瓦；1 5 3 7 8 8 c 一8 一5 胁一3 0 p 一2 5 s 一5 函一4 f 一一1 5 c r 一2 ( 2 2 ) 根据以上公式和水钢的实际情况，由此确定水钢连铸钢水温度制度，如表2 9 ，2 1 0 所示 表2 9 2 5 吨转炉温度制度 单位( ) 一倒温度 出钢温度 吹氩后温度 中包温度 钢种 2 52 52 5 第一包连浇第1 包连浇第1 包连浇第1 包连浇 炉炉炉 1 6 2 0 1 6 2 0 1 5 9 0 1 5 8 0 1 5 7 0 1 5 1 5 1 5 1 5 2 0 m n s i1 6 9 01 6 8 0 1 6 7 0七1 5 4 0 1 6 6 01 6 6 01 6 1 01 6 0 01 5 9 01 5 4 0 1 5 4 0 1 5 2 5 1 6 2 0 1 6 2 0 1 6 0 0 1 5 9 0 1 5 8 0 1 5 2 5 q 2 3 5 1 6 8 01 6 7 01 6 7