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东北大学硕士学位论文摘要 热轧生产计划模型、算法与系统 摘要 热轧是钢铁企业重要的生产工序，它把连铸工序产生的板坯通过清理、加热和轧制 形成带钢产品。板坯的轧制顺序直接影响成品质量和工序能源消耗。热轧生产计划的主 要任务就是在满足生产工艺情况下，确定扳坯的轧制顺序。一个最优的生产计划能够使 得工序能耗最低和总产品质量最好。科学合理地确定热轧计划可以有效地提高生产设备 的利用牢、降低物耗和能耗、进而达到整体工序优化的目的。 热轧生产讨划的确定要考虑很多因素，例如，要满足合同的交货期要求，计划中相 邻板坯之问宽度、厚度、硬度和温度的跳跃不能太大等。计划的容量要有一定的限制， 连续轧制相同宽度的板坯时长度有限制，两在满足轧制规程的前提下，计划长度要尽可 能的大以便充分发挥产能。这些因素和约束使得热轧生产计划的编制非常复杂。 本文建立了热, s u a i 产计划的数学模型，浚模型可以归结为带选择车辆调度问题。 模型采用并行策略，可以同时编制多个生产计划，使总的生产成本、生产计划数量惩罚 和未选板坯惩罚最小化。与已有文献模型相比，该模型考虑了温度对于讣划的影响，烫 辊材计划和连续轧制相同宽度板坯时的长度限制。 带选择的车辆调度问题为强n p 难问题，因此本文研究的热轧计划问题也是强n p 一 难的。针对此问题，本文采用基于最近邻思想的启发式算法产生初始解，然后利用基_ 丁 环交换邻域的启发式算法柬改进初始解。实验数据取自钢厂实际生产数据，通过与现场 工作人员交流确定了参数。所有的实验程序都是用c + 。编写，并在p e n t i u m 4 主频2 4 g h z 的计算机上进行实验仿真。实验结果表明：通过优化算法得到的结果惩罚总数小于人工 计划，说明采用优化算法编制的轧制讨划优于人l ：计划。 为了探讨模型和算法在生产实际中应用的可能性，使用v i s u a l c + + 6 0 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 玎发了热轧生产计划决策支持系统。陵软件系统以模型和算法为核心，可以管理原 始生产数据，应用模型和算法确定生产计划，以图形的方式显示并且能够编辑生产计划。 关键词：热轧生产计划、带选择的车辆调度问题、启发式、上不交换、决策支持系统 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e m o d e l ，a l g o r i t h ma n ds y s t e mo fh o tr o l l i n gp r o d u c t i o n p l a n n i n g a b s t r a c t t h eh o tr o l l i n gp r o c e s si sa ni m p o r t a n to p e r a t i o no ft h es t e e lp l a n t ，w h e r et h ec o n t i n u o u s c a s t i n gs l a b sa r ec l e a n e du p ，r e h e a t e da n dr o l l e dt ob ct h ef i n i s h e dp r o d u c t s t e e lc o i l s t h e r o l l i n gs e q u e n c eo ft h es l a b sh a si m p o r t a n ti n f l u e n c e so nt h ep r o d u c tq u a l i t ya n de n e r g y c o n s u m p t i o n t h ep r i m a r yt a s ko ft h eh o t 】r o l l i n gp r o d u c t i o np l a n n i n gi st od e t e r m i n et h e r o l l i n gs e q u e n c ew h i l es a t i s f y i n gt h ep r o d u c t i o nc o n s t r a i n t s a no p t i m a lp l a nc a no b t a i nt h e b e s tp r o d u c tq u a l i t yw i t h 【t h el e a s te n e r g yc o n s u m p t i o n as c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e p r o d u c t i o np l a n n i n gc a ni m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo ft h ee q u i p m e n t s ，r e d u c et h e c o n s u m p t i o no ft h em a t e r i a la n de n e r g y ，a n dc o n s e q u e n t l ya c h i e v et h eo p t i m i z a t i o no ft h e h o l i s t i cp r o c e d u r e t h ep r o d u c t i o np l a n n i n go ft h eh o ts t r i pm i l lm u s tt a k ei n t oc o n s i d e r a t i o nm a n yf a c t o r s ， s u c ha st h es a t i s f a c t i o no ft h eo r d e r e dd u ed a t e sa n dt h eg r a d u a lt r a n s i t i o n so fw i d t h ，t h i c k n e s s ， 。h a r d n e s sa n dt e m p e r a t u r eb e t w e e na d j a c e n ts l a b s t h ec a p a c i t yo fap l a n ，t o g e t h e rw i t ht h e r o l l i n gl e n g t ho fs l a b sw i t hs a n l ew i d t h ，i sb o u n d e d w h e nd o i n gt h ep l a n n i n g ，t h et o t a l r o l l i n gl e n g t ho fs c h e d u l e ds l a b ss h o u l db ea sl a r g ea sp o s s i b l es o a st ot a k ef u l lu s eo ft h e p r o d u c t i o nl i n ec a p a c i t y t h e s ef a c t o r sa n dc o n s t r a i n t sd e s c r i b e da b o v e ，t h e r e f o r e ，m a k et h e p r o d u c t i o ns c h e d u l i n go f t h eh o ts t r i pm i l lv e r yc o m p l e xa n dd i f f i c u l t u s i n gap a r a l l e ls t r a m g y ，w ef o r m u l a t et h eh o tr o l l i n gp r o d u c t i o np l a n n i n gp r o b l e ma sa b i n a r yi n t e g e rp r o g r a m m i n gm o d e l ，w h i c hi st h e o r e t i c a l l y t h ep r i z ec o l l e c t i n gv e h i c l e r o u t i n gp r o b l e m ( p c v r p ) s u c hm o d e lc a ns i m u l t a n e o u s l yo b t a i nm u l t i p l ep l a n sw h i l e m i n i m i z i n gt h et o t a lp r o d u c t i o nc o s t ，t h en u m b e ro fp l a n s ，a n dt h ep e n a l t i e sf o rt h eu n s e l e c t e d s l a b s a sc o m p a r e dt oo t h e rm o d e l sp r o p o s e di np u b l i s h e dl i t e r a t u r e ，o a rm o d e lt a k e si n t o c o n s i d e r a t i o nt h e 。t e m p e r a t u r e ，t h ew a r m u pm a t e r i a l 【a n dt h el e n g t hb o u n do fc o n t i n u o u s l y a r r a n g e ds l a b st h a th a v et h es a m e w i d t h t h ep r o b l e mu n d e rc o n s i d e r a t i o ni ss t r o n g l yn p - h a r ds i n c et h ep r i z ec o l l e c t i n gv e h i c l e r o u t i n gp r o b l e mi ss t r o n g l yn p - h a r dp r o b l e m ah e u r i s t i c sb a s e do nn e a r e s tn e i g h b o r ( n n ) i su s e dt 1 0o b t a i nt h ei n i t i a ls o l u t i o na n dt h e nt h ec y c l i ct r a n s f e rb a s e da l g o r i t h mi sd e v e l o p e d t 。o i m p r o v et h ei n i t i a l s o l u t i o n t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r ec o l l e c t e df r o mt h ep r a c t i c a l p r o d u c t i o no f as t e e lp l a n t ，a n dt h ep a r a m e t e r sa r ec o n f i m l e db yc o n f e r r i n gw i t ht h e l o c a l e 东北丈学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r t s a l lt h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m sa r ed e v e l o p e dw i t hc - h - a n dp a no nac o m p u t e rw i t h p e n t i u mi v2 4 0 g h z c o m p u t a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et o t a lp e n a l t i e so ft h er e s u l t s o b t a i n e db yt h ea l g o r i t h ma l el e s st h a nt h o s eo ft h em a l l m a d er e s u l t s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dc a n o b t a i nb e t t e rp l a n s t oe x p l o r et h e p r o b a b i l i t ye ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ep r o p o s e dm a t h e m a t i c a l m o d e la n da l g o r i t b x n ，ah o tr o l l i n gp r o d u c t i o n p l a n n i n gd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi s d e v e l o p e db yv i s u a lc + + 6 0a n ds q l s e r v e r2 0 0 0 b a s e do nt h em o d e la n da l g o r i t h m , t h e s o f t w a r es y s t e mc a l lm a n a g et h eo r i g i n a lp r o d u c t i o nd a t a ，p r o v i d eh i g hq u a i i t yp l a n sb yt h e m o d e la n da l g o r i f l m a ，s h o wt h ep l a ni ng r a p h i c sm o d ei nw h i c ht h eh u m a ne x p e r t sc a r te a s i l y m o d i f yt h ep l a n s k e yw o r d s ：h o tr o l l i n gp r o d u c t i o np l a n n i n g ，p r i z ec o l l e c t i n gv e h i c l er o u t i n gp r o b l e m ， h e u r i s t i c ，c y c l i ct r a n s f e r ，d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中耿得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：哳茯韵 签字同期：印。62 2 9 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名 签字同期 导师签名： 签字r 期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀了匕 1 1 研究背景 钢铁工业长期以来一直是各个工业化国家的重要产业。它对交通运输、采矿、耐火 材料、建筑、汽车、造船、会属制品、机械电子等行业都有巨大的影响。虽然现在以传 统原材料为基础的状况己经发生了改变，但钢铁仍是我国基本建设的结构材料和产量最 大的功能材料。钢铁工业依然是工业化国家最重要的产业部门之一。 最近2 0 年来，出于宏观环境因素特别是经济、技术、自然和社会环境因素的影响， 钢铁工业已进入了一个巨大的变革时期。钢铁制逊【k 为了适应企、吐新的市场变化。f 努 力寻求一种新的管理和生产模式，以便从根本上和整体上进行变革。 在我国，随着改革开放政策的深入，国内许多产业如汽车、石油、造船、航天等部 门都在迅速发展，各部门对钢利质量提出了越柬越高的要求。有些品种我国还不能生产， 只能依靠进口。同时我国出口钢材数量逐年增加，产品质量、价格面临国内国际两个市 场的激烈竞争。虽然我国生产钢材品种不断扩大，质量有一定程度的提高，能源与物资 消耗有所下降，但是我国钢铁工业发展中还存在很多问题，特别是装备水平、产品质量 和物资消耗等方面与国际上工业先进国家相比，还存在着很大差距。主要表现在：( 1 ) 管理和生产模式落后；( 2 ) 产品结构欠优化；( 3 ) 现有的钢铁工业的工艺技术装备比较落 后等等。而要变革我国传统钢铁制造业，途径有以下两个：( 1 ) 工艺及设备的改造，即生 产设备的更新、生产工艺的改变或者生产线的引进；( 2 ) 丌发自动化系统如企业丌发的 计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和计算机辅助生产管理系统( c a p m ) 等 。 面对激烈的国际竞争，解决钢铁工业所面临的困境，我们需要在这两方面做出切实 可行的努力，为我国钢铁行业的发展做出积极的贡献。 解决钢铁工业所面临的困境，必需依靠科学技术。角步骤地采用高新技术改造传统 设备与工艺，才有可能取得实效。近年来，电子工业迅速芨展，钢铁工业f 逐步从大型 化、自动化、连续化步入计算机化的新时代。 轧钢厂生产作业管理是钢铁企业生产管理系统的一个重要组成部分，而生产批量计 划是轧钢厂生产作业管理的关键技术，它包括编制生产轧制批和确定轧制批的生产顺 序。如果编制计划不科学，将给生产造成重大损失。传统的生产计划是由经验丰富的工 作人员做出的。很明显，这种人工的方法是一种定性的求解方法，并不能够得到最优解， 东北是学硕士学位论文第一章绪论 因此做出的生产计划也就不足最好的，这将直接导致产品成本增加、生产周期延长和损 耗增加。因此，全面改善钢铁企业的t ( 交货期短) 、q ( 高质量) 、s ( 更好的服务) 水平是企 业努力的方向。但是真要实现这些目标并不是一件容易的事情。企业必须利用网络信息 技术，改进现有的生产组织模式，才可能全面实现这些目标，并在未来的市场竞争中占 有一席之地1 2 i 。 热轧厂的生产计划不仅要考虑交货期和前后工序的物流需求，也要考虑很多热轧生 产本身的工艺约束，这就使得编制热轧厂的尘产计划非常复杂，必须要对实际生产非常 了解，同时，要从管理的角度来安排生产。 1 2 研究现状及研究意义 近年来国内外很多专家和学者对热轧厂的生产作业做了很多研究工作，他们的模 型和解决策略都有很大不同。下面，对他们的成果进行简要的综述。 w r i g h t 和h o u c k ( 1 9 8 5 ) 针对热轧生产计划提出了一种启发式的方案，他们的目标 函数是个包含宽度、硬度规格的惩罚函数，但是他们并没有给出数学模型和计算结果， 而且，通过这个启发式只能得到局部最优 1 i i 。b a l a s 和m a r t i n ( 1 9 9 1 ) 把热轧生产调度 问题简化为背包约束问题，提出了带选抒的旅行商问题的模型( p c t s p ) ，带选择的旅 行商问题由旅行商问题推广而来，在这个问题中，每个城市指定r 一个奖励( 或惩罚) ， 当选择一个城市时，旅行商可以获得奖励，没有选择的城市就要追加惩罚，目标函数是 使总的距离费用最小，这种调度方案首先选择板坯组成计划，然后调整板坯在计划中的 位置，他们设计了r o l l a r o u n d 程序得到一个生产计划【4 】0k o s i b a 等( 1 9 9 2 ) 研究了热 轧带钢顺序问题，建立了旅行商模型。l o p e z 等( 1 9 9 8 ) 定义了热轧带钢生产调度问 题( h s m p s p ) 并建立了数学模型，为了解决这个问题，他们采用禁忌搜索和启发式相 结合的方法得到了很好的结果”。但是，上述t s p 和p c t s p 等模型只能解决一个计划 的调度问题。 c o w l i n g ( 1 9 9 5 ) 描述了热轧生产计划的产生，板坯从板坯库运到加热炉，以便在 轧制前加热到所需的温度。板坯库由很多板坯垛组成，每一垛有2 0 块板坯，当一块板 坯需要被送到加热炉时，就要通过倒垛取出这块板坯，这样耗费很多人力物力。每个轧 制计划的板坯宽度符合“乌龟壳”的形状，而每个计划可以看作是访问板坯库的一个“路 线”，n 止l 每个板坯被访问时育一定的奖励，这样这个问题可以描述为带选择的车辆调 度问题( p c v r p ) 。c o w l i n g 提出了基于局部搜索的启发式方法和禁忌搜索相结合解决 东北大学硕士学位论文第一章绪论 这个问题，但是他的核心问题是板坯的倒垛问题，而且模型中关于热轧的生产约束表示 比较简单【6 】。 t a n g 等( 2 0 0 0 ) 提出了热轧调度问题建模的并行策略，建立了可以一次产生m 个 生产计划的m t s p 模型，为了解决这个问题，他们把m t s p 转化成单个t s p 问题，然 后采用改进遗传算法获得t s p 问题的近优解。但是，这个研究是在认为板坯已经选定的 前提下，即不用考虑生产能力的限制n 本文以热轧生产工艺为背景，模拟实际卜产要求，建立了基于并行策略的热轧生产 计划模型，采用启发式十环交换算法相结合的方法得到生产计划，并研究丌发了一个热 轧生产计划原型系统。在建模过程中，充分考虑了生产实际中的约束条件，算法结果经 过实际数据验证。该系统丌发的目的是为了打破了传统手工编制热轧计划的局限，科学 合理的确定生产计划与调度。孩系统较传统的系统有很大韵优越性，它有效提高了生产 设备的利用率，降低了物耗和能耗，进而达到了整体工序优化的目的。因此该仿真系统 的丌发具有更高、更广阔的应用前景。 1 3 本文组织结构 本文是在开发热轧生产计划系统的基础上撰写的。论文第一章为绪论部分，简明介 绍了本文的研究背景、现状、目的和意义。 第二章是对热轧生产工艺和工艺约束的介绍。热轧的生产工艺分别介绍了连铸和热 轧的连接方式、轧钢工艺过程、热轧带钢简介、热轧的三库管理和生产计划问题的分析。 然后介绍了热! ；l i , t 1 划的工艺约束和实际计划的编制。使读者对热轧生产有一个总体直观 的了解。 第三章是热轧生产计划问题数学模型的建立。通过和人工计划对比提出了建模策 略，给出了和现场工作人员交流确定的模型参数，建立了基于带选择的车辆调度问题的 数学模型。分析了该模型和车辆调度问题模型的共同点、不同点，和其他热轧模型的不 同点。 第四章分别介绍了求解热轧生产计划模型所用的启发式和环交换算法。给出了基于 最近邻思想的启发式算法的算法步骤和流程图。对于坏交换算法，首先介绍了局域搜索 算法，然后分析了环交换算法的原理，最后给出了环交换算法在热轧生产计划问题中的 应用。 第五章是算法计算的实验结果和分析。实验数据全部来源于生产现场，通过和现场 东北大学硕士学位论文第一章绪论 工作人员交流确定了算法的计算参数，给出了和人工计划相对比的计算结果，可以看出 优化算法得到的结果惩罚总数小于人工计划，说明采用优化算法编制的轧制计划比人工 计划更优，最后对实验结果进行了分析。 第六章介绍了热轧生产计划系统软件的开发工具和一些主要的软件界面。 最后是结沦部分。 4 东北大学硕士学位论文 第二章热轧的生产工艺和工艺约束 第二章热轧的生产工艺和工艺约束 2 1 热轧的生产工艺 现代钢铁生产是一个包括很多中间工序的复杂的过程，综合钢铁厂的操作可以分为 两个部分：初级工序和成品工序。初级工序从对原材料( 例如，铁矿石和煤) 的加工丌 始，原材料在高炉中冶炼成为液态铁，在熔化车i 创变成液态钢，垴过连铸工序加t 成为 固态的钢坯，经过热轧工序生产出成品带钢，带钢可以作为成品直接出厂也可以 作为p 道工序的原材利。初绒工序的生产如图2i 所示。成品工序控制产品台同要求的 规格，先后经过清理、冷轧、退火、镀锌和锡以及彩涂等工序”。 规格，先后经过清理、冷轧、退火、镀锌和锡以及彩涂等工序”。 明晷。固 船热舻铆轧帆甜 0 机 器肋自l e l2j 铡铁的初级生产i 序简幽 f 袒2 】p a r yo p p r ；t i o t l sm 小es t c e l d us i y 东北大学硕士学住论丈第= 章热轧的生产工艺和工艺约束 第二章热轧的生产工艺和工艺约束 2 1 热轧的生产工艺 现代钢铁生产是一个包括很多中间工序的复杂的过程，综合钢铁厂的操作可以分为 两个部分：仞绒工序和成品工序。初级工序从对原材料( 例如，铁矿石和煤) 的加t 丌 始，原材料在高炉中冶炼成为液态铁，在熔化车m 变成液态钢，通过连铸工序加工成为 固态的钢坯，经过热轧工序生产出成品一一带钢，带钢可以作为成品直接出厂，也可以 作为下道工序的原材料。初级上序的生产如图2 1 所示。成品工序控制产品合同要求的 规格，先后经过清理、冷轧、退火、镀锌和锡以及彩涂等工序7 】o 目目 u u 由彤魄由一 扎帆 。固 船 l 目l 卷目l 幽21 钢铁的衬级生产1 1 序简幽”。 f i g2 ip r i m a r yo p e r a t i o n si nt h es t e e li n d u s t r y 东北大学硕士学位论文第_ 二章热轧的生产工艺和工艺约束 热轧是钢铁企业重要的初级生产工序，它把连铸工序产生的扳坯通过清理、加热和 轧制形成带钢成品。热轧产品具有强度高、韧性好、易于加工成型及良好的可焊接性等 优良性能，因而被广泛用于船舶、汽车、桥梁、建筑、机械、压力容器等制造行业。 2 11 连铸和热轧的连接方式 连铸工序和热轧工序之间的衔接根据铸坯送交热轧机的线路和铸坯达到热轧机的 温度情况，形成不同的轧制方式，如图2 2 所示，有冷装轧制( c c c c r ) 、温装轧制 ( c c h c r ) 、热装轧制( c c d h c r ) 和直装熟轧( c c h d r ) 等四种基本方式。 幽2 2 烁制一迎铸一热轧l 艺伺幽 f i g2 2 s t e e lm a k i n g c o n t i n u o u sc a s t e r h o tr o l l i n g ( 1 ) c c c c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - c o l dc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一冷坯装炉轧制，简称冷 装。连铸坯因种种原因无法在高温情况下送入热轧加热炉，只好送到板坯库堆放，根据 轧制计划的需要，一定时间后再山库中吊至炉前辊道，装加热炉。装炉温度低于4 0 0 c 的板坯均属此种方式。有些产品根据工艺要求只能放冷后再装炉也属于此种方式。 ( 2 ) c c h c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - h o tc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一热坯装炉轧制，装炉温 度一般4 0 0 一7 0 0 ，可以称为温装。当连铸生产计划与热轧轧制计划的衔接卜存在一 段时l _ 甘j 差别，高温连铸坯也无法直接装入加热炉。为了减少热能损失，可以将热坯放到 保温坑巾存放一段时问，需要时再吊出装炉，这样既使热能得到保存，又在时问上得以 缓冲。目前这种方式占有很大的比重。 ( 3 ) c c d h c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r d i r e c th o tc h a r g er o l l i n g ) ，连铸直接热坯装炉轧 制，简称热装。由于是通过输送辊道将连铸过来的高温坯直接送入加热炉，装炉温度都 在7 0 0 以上。无疑这是目前连铸与热轧侧的最佳衔接方式。 ( 4 ) c c h d r ( c o n t i n u o u sc a s t e r h o td i r e c tr o l l i n g ) ，连铸一直接热轧。当连铸机可以 实现高温铸造，在板坯运输过程中采取必要的保温措施，针对板坯边角部温降大等问题 东北大学硕士学位论丈第二章热轧的生产2 r - 艺和工艺约束 采取边部加热等措施，就可咀将达到轧制温度( 1 1 5c ) 。c - 1 2 0 0 ) 的铸坯不经加热炉而 直接送上轧线。显然这是最为理想的工艺路线，但它列各个环节都提d ；十分严格要求， 包括板带自由轧制工艺的实现。因此这一方式的实现尚需相当长一段时l 砌。 当然，出于各钢铁厂的连铸设备和热轧机的装备不同，咀及它们之佃j 的连接方式的 设计也不尽相同，构成的轧制方式也有口，能是上述四种基本方式的混合，其中最普遍采 用的是混合轧制方式( m i x e d r o l l i n gm o d e ) ，也就是冷装坯与直装坯或热装环混合形成 同一轧制单元。 由于热装( d h c r ) 轧制工艺将通过输送辊道从连铸过来的高温坯直接送入加热炉， 节省大量的能源，提高金属的所得率。而热直轧( h d r ) 工艺直接将从连铸机拉出的高 温铸坯，经边部加热后，就可以达到轧制温度( 1 1 5 0 1 2 0 0 ) 的要求，这样，铸坯就 可以不经过加热炉再加热而直接送上轧线轧制成材。显然热装( d h c r ) 和热直轧( h d r ) 是最为理想的工艺路线。它简化了连铸和热轧i u j 的连接工艺，减少或删除加热炉的再加 热连程，是钢铁i 业发展的必然方向。 2 i 2 轧钢工艺过程 轧钢生产工艺过程是幽以下儿个基本工序组成的： 坯料准备包括按炉号将坯料堆放在原料仓库，清理表面缺陷，去除氧化铁皮和 预先热处理坯料等。 坯料加热坯料加热是热轧生产的重要生产工序。将坯料加热到所要求的温度 后，再进行轧制。 钢的轧制钢的轧制是轧钢生产工艺过程的核，c , x l 序。轧钢工序的两大任务是精 确成型和改善组织性能。 精整精整工序通常包括钢材的切断或卷曲、轧后冷却、矫直、成品热处理，成 品表面清理、包装等工序。改_ j 。序列产品质量起着最终的保证作用。 2 1 3 热轧带钢简介 热轧带钢是成卷的钢板，它的厚度在0 8 2 5 毫米之问。热轧带睾嗣可直接作为成品 出售，也可进行深加工，形成优质冷轧带钢。热轧带钢所用的原制主要是初轧板坯和连 铸坯，对板坯进行表面处理后，用步进式连续加热炉进行加热，用粗轧机进行轧制，由 粗轧机轧制m 的带制坯，运到精轧机进行精制，轧后冷却、卷取和精整口1 。：【艺流程如 图2 3 所示。 东北太学硕士学位论文 第= 章热轧的生产工艺和工艺约束 塞萎篡坯差墨，二二至至二二卜+【二三堕三二_1p萎蓑 步迸连续加热炉粗轧机精轧机 精整 幽2 3 热轧带钏生产i ：艺流利幽 f i g2 3 p r o c e s sf l o wo f h o ts t r i pp r o d u c t i o n 对于精轧工序，精轧机组一般由6 7 个机架组成连轧，每一个机架上的工作辊和支 撑辊，由于高温高速轧制、轧辊磨损很大，需要更换，以保证带钢板形。更换前后两个 工作辊之问的轧制对象称为轧制单元，对应一个轧制计划。两个支撑辊之间的轧制对象 是由多个轧制单元组成，称为轧制单元组，对应多个轧制计划。轧制单元和轧制单元组 的关系如图2 4 所示。在热轧带钢中的轧制计划简称为热轧计划。 一囊删黼 幽24 轧制单元雨i 轧制单元绸。 f i g24 t u r na n ds h i f t 造成工作辊磨损的主要因素有如下几个： ( 1 ) 轧件的硬度因素： 被轧制的钢材的硬度等级越高，轧件对轧辊产生的反作用力就越大，从而轧辊的磨 损就越快；同时，相邻带钢的硬度等级变化越大，对轧辊的磨损就越高。 f 2 1 带钢的厚度凶素： 所轧带钢的厚度要求越薄，轧辊对轧件产生的压力就需要越大，从而轧辊的磨损就 越大，而且，如果相邻带钢的厚度相差太大，对轧辊的磨损也就越大。 r 3 ) 带钢宽度的变化： 如果连续轧制具有相同宽度的带钢超过一定的数e l ，就可能在工作辊和带钢边缘褂 东北大学硕士学位论丈 第二章热轧的生产工艺和3 - 艺约束 处形成凹痕t 如果接下来轧制的带钢宽度比它前面轧制的带月宽，凹痕就会在带钢表面 上留下划痕，影响带钢的质量，更为严重的是，凹痕有可能划伤支撑辊，造成支撑辊的 不合理更换。 轧件的顺序对成品表面的影响很大。为了保证轧制质量，板坯在轧制计划中宽度尽 量按照宽度非增的方向排列。但是由于在更换工作辊之后，轧辊的工作状况还不稳定， 因此，每个计划刀：始的部分板坯按照宽度非碱的方向排列来加热轧辊，这部分板坯被称 作“烫辊材”。相应的，轧制计划的主体部分被称作“主体材”。 通常一个完整的轧制单元的轧件宽度具有“双梯形结构”，如图2 5 所示。正梯形 是烫辊材部分，而反梯形是主体材部分。 一个轧制单元 1 1 = = = = = = l 二= 二= 二= = 幽25 一个轧制单元的结构削 f i g2 5 c o f f i ns h a p eo fat u m 2 1 4 热轧的三库管理 热轧带钢轧制过程中需要三个库用来存放板坯、钢卷和成品，它们分别是板坯库、 钢卷库和成品库。 f 1 ) 板坯库管理 扳坯库重要设备有边角加热炉入口辊道、板坯输入辊道、板坯移送台车、保温坑、 板坯提升机、板坯垛运输机等组l 成。 ( 2 ) 钢卷库管理 钢卷经由卧式打捆机打捆后用钢卷小车送到钢卷升降机托住钢卷，钢卷升降机下 降，由一号钢卷运输链接受钢卷，然后由钢卷运输髓系统运送。对需要检查的钢卷则送 到检查线，打丌钢卷进行检a ，钢卷经称重、喷印后，根掘下一j i 序决定钢卷的流向。 钢卷为一卧到底运输，运输链和运输链之倒用可升降的钢卷车过渡连接，钢卷需转向运 9 东北大学硕士学位论文 第二章热轧的生产工艺和工艺约束 输的位置采用了升降机。去冷轧机的钢卷用运输链，经钢卷库运到冷轧的原料库。 ( 3 ) 成品库管理 需要切分、重卷的热轧钢卷在分卷跨冷却至常温，按生产计划把钢卷从分卷跨直接 吊放到上料步进粱移送机，由钢卷4 、车接受铡卷，移送到钢卷准备站，在此完成位置对 中，手动拆除捆带和切掉钢卷头部，然后钢卷小车将钢卷送往歼卷机，在进入开卷机卷 简前，用光电管对钢卷高度对中使钢卷中心和卷筒中心标高一致t 带钢头部经过丌卷、 矫直后进入切分剪，经过表面检查进入张力装置，用以矫f 带钢的跑偏。卷曲后的切分 卷或重卷钢卷出卸卷小车送到步进粱穆送机，在此经过称重、打拥、喷印扁吊运至成品 库。设备包括钢卷运输设备和分卷机组设备等。 2 1 5 生产计划问题的分析 热轧带钢生产作业计划的总体结构如图2 6 所示。以客户合同数据为原始数据，经 过工艺计划将其转换为“牛产合同数据”。对于预选池合同，根据各主要生产工序的 生产能力供应情况制定合理的合同计划。在此基础上，根据工艺约束条件和优化切割 的原则进行轧制批设计，最后编制轧批顺序计划。 到2 6 热轧j 生产作业计划的总体结构幽 f i g2 6 o v e r a t ls t r u c t u r eo f p r o d u c t i o no p e r a t i o n a lm a n a g e m e n ti nt h es t e e lr o l l i n gm i l l ( i ) 生产合同 热轧生产作业计划的编制，是以上面的4 二产计划与订货合同为主要依据的。换句话 说，就是将上位生产计划规定的生产任务，落实到具体的订货合同上。实际上订货合同 数量很多，每份订货合同对规格、质量、数量与交货期的要求各异。由0 。按每份订货合 东北大学硕士学位论文第二章热轧的生产3 - 艺和工艺约束 同生产不符合生产组织的要求，因此需要将订货合同作适当的处理与归并，将同类合同 归并成生产批，按生产批组织生产，以提高生产效率。这种按生产组织要求组织的合同 叫做生产合同。为了便于安排j ：产，订货合同要经过整理，将可以放在一起生产的合同 进行归并。冷轧产品一般订货批量小，几乎所有的合同都需要归并；热轧产品一般订货 批量大，不一定归并，归并的同类项可以是交货期、品种、规格、钢种、质量等级、特 殊要求等，实际应用中常以厚度为主键，次为交货胡，出钢记号( 相当于钢种) 及板宽。 生产合同的组成，从生产组成的角度出发，将用户的订货合同经过整理归并后，重新组 合成生产合同。一个生产合同往往由若干订货合同组成，生产完毕后，要将生产合同还 原成订货合同，才能出厂交货。 ( 2 ) 合同计划 将组成的生产合同编入月生产作业计划，就是合同计划。儿是列入合同计划的生产 批，就是编成放行的生产批。每f 1 安排生产的其体生产合同，都己列入月生产合同计划 的生产合同。根据合同的交货期和己确定的生产途径束决定产品在每- - 自h i h i 序的生产 同期。 f 3 ) 轧制批 生产过程当中，组成一个轧制单元内的轧制对象，如钢管中的轧批和热轧带钢中的 乌龟壳计划都为吼制批。 2 2 热轧计划的工艺约束 在不考虑下道工序需求和交货期的打提下，热轧生产计划的制定主要考虑这三个因 素：产品质量，规格跳跃和产能发挥。下面分别详细说明这三方面涉及的实际问题。 i 产品质量主要取决于： ( 1 ) 钢级搭配是否合理 对于烫辊材来说，由于规程要求硬度最高为2 缴，且不允许排高温钢( 终轧温度 o o o 。1 c ) ，所以烫辊材多数采用“a p 0 7 4 0 d 5 ”等几个钢级的板坯，且集批编排。 为了达到较高的质量要求，主体材的钢级也要尽可能的集批编排。 ( 2 ) 温度要求 热轧过程中，带钢的温度是直接影响轧机负荷合理分配，最终产品尺寸精度及组织 性能的重要因素之一。出炉温度影响轧机负荷的合理分配，对产品的性能有重要影响的 主要是终轧温度和卷曲温度。 东北大学硕士学位论文第二章热轧的生产工艺和工艺约束 在带钢的热连轧过程中，板坯的加热是热加工过程中的一个必要的环节。钢在冷态 下可塑性很低，为了改善钢的热加工条件，必须提高钢的塑性。一般来说，钢的热加工 温度越高，钢的可塑性越好。 加热还可以使钢的内外温度均匀。由于板坯内外的温度差，使金属内部产生应力， 这样经过轧制过程后容易造成废品和缺陷。通过加热炉的均热使断面上的温差缩小，避 免出现危险的温度应力。 加热温度过高，会发生板坯过热、过烧，既增加了燃料的消耗，又增大了氧化铁皮， 增加了金属耗损，而且轧制时要造成废品。而如果加热温度过低，加工所消耗的能量越 大，轧机的磨损也越快，而且温度过低时还容易发生断辊事故。 因此通过加热炉后的出炉温度是热轧的一个重要指标。 终轧温度对带钢质量有直接影响。终轧温度的高低，在很大程度上决定了轧后钢材 内部的金相组织和力学件能。一般终轧温度在8 5 0 。c j - i 右，约为8 0 0 9 0 0 。c 。 卷曲温度应在6 8 0 以下，约为5 5 0 6 5 0 。c 。在此温度阶段，带钢的金相组织已定 形，可以缓慢冷却，而且缓慢冷却对减小带钢的内应力也是有利的。过高的卷曲温度， 将会因卷曲后的再结晶和缓慢冷却而产生粗品组织和碳化物的积聚。卷曲温度过高还容 易产生坚实的氧化铁皮，使酸沈困难。 在热轧过程，要求出炉温度、终轧温度和卷曲温度均匀变化，同时不能跳跃人大。 般情况下出炉温度的最大跳跃值为3 0 、终轧温度的最大跳跃值为6 0 。c 、卷曲温 度的最大跳跃值为9 0 * ( 2 。 2 产品精度主要影响因素是扳坯的规格变化，即板坯的宽度、厚度和硬度的跳跃。 对于烫辊材部分有以下几点约束： ( 1 1 烫辊材的长度有一定限制 f 2 1 开始 l 制时的板坯硬度不能太大：每个计划的烫辊材一般质量1 i 好要求不高， 般编排冷轧用料或要求比较低的热轧用户合同，而前两块带钢一般必颁用于冷轧用料 及要求比较低的热轧用户合同( 在烫辊材紧缺时j 允许) ，硬度一股是1 。 ( 3 ) 硬度变化幅度要小( 跳跃小) ，变化平滑：烫辊材前八块带钢的硬度最大值为二 级硬度。总长不超过1 4 k m ，硬度从软到硬变化。 ( 4 1 厚度变化幅度要小，最好是非减方向变化。 f 5 ) 烫辊材宽度渐增变化，变化范围有限制，从轧制计划起始宽度到最大宽度的计 算带钢长度1 4 k m ，相邻两块带钢的宽度差一般2 0 0 r a m ，每种宽度组至少编排两块 东北大学硕士学位论文第二章热轧的生产3 - 艺和工艺约柬 带钢。 对于主体材部分有以下几点约束： ( 1 ) 主体材总长度( 或重量) 有一定限制。 ( 2 ) 宽度、厚度、硬度不允许同时跳跃。 ( 3 ) 硬度变化要平稳，渐进递增或渐进递减均町，只是不能反复跳跃。 ( 4 ) 厚度变化要平稳。不能反复跳跃，同时最好是非减方向变化。 ( 5 ) 连续轧制具有相同宽度的带钢时，其长度有一定的限制。 6 ) 从轧制宽度最大的一块带钢为主体村。为确保热轧产品质量及操作稳定，应将 相同或相似厚度、硬度、表面要求的带钢编排在一起，主体材带钢宽度跳跃由宽向窄变 化，跳跃幅度要小。在考虑带钢厚度跳跃差的前提下，晟大跳跃羞为2 5 0 m m 。 ( 7 ) 当三者发生冲突时，优先级为宽度一硬度一厚度。 ( 8 ) 在宽度反跳时，前面的窄带钢长度必须l o k m ( 烫辊材部分的窄带钢除外) ， 带钢宽度跳跃差为1 5 0 m m 。 3 产能发挥指的是计划台理性发挥，在满足轧制规程的前提下，使计划的单重尽 可能的大，减少换辊时间。 在实际生产中，一般“计算公单数”的概念来控制产能。由1 不同厚度的带钢即使 轧制的实际公里数相同，其埘轧辊的磨损程度也不同。因此，采用计算公里数来反映带 钢的轧制长度。计算公早数= 长度计算系数实际轧制长度。 2 3 实际计划的编制 为了适应热轧厂的生产，以确保热送热装，轧钢厂设有2 4 小时计划编制人员，在 线编制和调整轧制计划。 f 1 1 计划量与滚动量：考虑热轧f = l 轧制量、热装比，板坯库存结构来决定下发的计 划量，一般情况下，热轧厂应有f