（机械工程专业论文）基于ve和slp的短流程炼钢工程初步设计.pdf

工程硕l ：学位论文基于v e 和s l p 的短流程炼钢丁程初步设计 摘要 作为工程设计的第一步，工程初步设计在工程的设计、决策、采购、建设、验收 等方面起着关键性的作用。本文以越南v a n l o i 公司年产3 0 万吨短流程炼钢工程为 背景，探讨了价值工程( v e ) 、系统布置设计法( s l p ) 等先进理论和方法在短流程炼 钢工程初步设计中的应用，实现了工程初步设计的科学化、程序化，提高了工程初步 设计的效率和质量，对于类似的工程初步设计有一定的指导意义。 本文根据短流程炼钢工程特点和要求，首先利用价值工程( v e ) 对电弧炉方案选 择和工艺配置方案选择建立综合优化评价模型，并求解得到最佳方案。其次利用系统 布置设计法( s l p ) 对炼钢车间进行物流和非物流关系分析，并优化求解得到最佳车 间布置方案。最后运用多专业知识，综合多方面因素，完成了该工程的初步设计研究。 本次短流程炼钢工程初步设计研究完成的主要内容有：生产规模、产品方案、电 弧炉类型、工艺配置方案、工艺流程、物料供应、操作调度、车间设施布置、能源评 价、环保与综合利用、安全与工业卫生、消防、劳动定员、投资概算等。 关键词：短流程炼钢工程初步设计价值工程( v e )综合优化评价s l p a b s t r a c t a st h ef i r s tp r o c e s so ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g n t h ee n g i n e e r i n gb a s i cd e s i g nt a k e so n p i v o t a lf u n c t i o ni nt h ea s p e c t so ft h ep r o j e c t sd e s i g n ，d e c i s i o n ，p u r c h a s e ，b u i l d ，c h e c ka n d a c e 印te t c i nt h i sp 印e r , t h eu s eo fa d v a n c e dt h e o r i e sa n dm e t h o d ss u c ha sv a l u e e n g i n e e r i n g ( v e ) a n ds y s t e ml a y o u tp l a n n i n g ( s l p ) o ne n g i n e e r i n gb a s i cd e s i g no ft h e u h p c cp r o j e c ta r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hw o r k ，w h i c hi ss e ti nt h e3 0 0k t au h p c c s t e e l m a k i n gp r o j e c to fv i e t n a mv a n l o ic o ，l t d r e a l i z e dt h eo r i z a t i o na n dp r o c e d u r eo f t h ee n g i n e e r i n gb a s i cd e s i g n i ti m p r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h ee n g i n e e r i n g b a s i cd e s i g n ，a n dc a nb ear e f e r e n c et oo t h e rs i m i l a rp r o j e c t o ns p e c i a l t ya n dr e g q u e s to ft h eu h p - c cs t e e l - m a k i n gp r o j e c tb a s i s ，f i r s t l y , t h e s c h e m eo fe l e c t r i ca r cf u r n a c ea n d p r o d u c tl i n ea r ea s s e s s e db yt h eu s eo fv e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n s e c o n d l y , ar e a s o n a b l el a y - o u tp l a no ft h es t e e l m a k i n g w o r k s h o pi sd r a w nb yt h eu s eo fs l p f i n a l l y , t h i se n g i n e e r i n gb a s i cd e s i g ni sc o m p l e t e d b yt h eu s eo f v a r i o u ss p e c i a l t yt e c h n o l o g ya n dt h ec o n s i d e ro f v a r i o u sf a c t o r s t h ep r o d u c t i o no ft h i sr e s e a r c hw o r ki sf i n i s e da sf o l l o w s ：p r o d u c t i o ns c a l e ，p r o d u c t m i x ，t y p eo fe 肛s c h e m eo fp r o d u c tl i n e ，p r o d u c tp r o c e s s ，m a t e r i a ls u p p l y , p r o d u c t o p e r a t i o n a n d m a n a g e ，l a y - o u tp l a no fw o r k s h o p ，e n e r g yc o n s u m ee v a l u a t i o n ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n do f f a lu s i n g ，i n d u s t r ys a f e t ya n ds a n i t a t i o n ，f i r ep r o t e c t i o n ， l a b o rr e q u i r e m e n t ，i n v e s t m e n te s t i m a t ee t c k e yw o r d s ：u h p c cs t e e l m a k i n g ，e n g i n e e r i n gb a s i cd e s i g n ，v e ，c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n ，s l p 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 技术目标：如技术性能、工艺性、产量、质量、自动化程度等。 经济目标：如投资、成本、利润、消耗、回报率、市场寿命等。 社会目标：如国家政策、国际惯例、资源、环境保护、社会影响等口1 。 就一项产品或方案而言，希望达到的目标有很多，但全部满足是不可能的，这就 需要对各项目标的重要性进行排序，确立主要目标。目标的确定要综合考虑眼前和未 来、局部和整体的关系，因此十分关键。如果优化评价的目标选错，会影响下面的评 价步骤，导致产品或方案评价结果的错误。 优化评价的目标一旦确定后，其后的优化评价各步骤均以符合和达到该目标为准 则进行，并在各项参数的选择计算和评价时，均要考虑到优化评价目标的实现。 步骤2 ：罗列需要评价的方案 在优化评价的目标确定之后，要列出能够达到目标的所有可能方案。理论上能够 实现要求的功能或目标的方案可能会很多，需要根据实际情况将明显不合理的方案去 除，最终得到可行的几种方案进行优化评价。优选评价的结果就在这些方案中产生。 因此罗列方案也是一个先“发散”然后“收敛优化的过程。 对于实现简单或部分功能的产品或项目，可通过查阅相关资料、寻找目前存在的 可能方案、通过专家推举等方式罗列需要评价的方案。若产生的方案过多，再将其中 明显不适合或不合理的方案剔出，从而得到需要评价的方案集。 对于多功能元或多部分组成的产品或项目，可将其看作一个有特定输入和产出的 “黑箱系统，首先分别对其各功能元或各部分的各种可能解进行发散，通过形态学 矩阵进行方案组合，得到所有可能的组合方案，再通过对这些组合方案进行收敛，去 除不适合或不合理的方案，最终得到可进行评价的方案集1 。 总之罗列需要进行评价的方案要有适当的范围。范围过大，将增大优化评价工作 量，且不一定能够增加优化评价的准确性；范围过小，则有可能将需要优化评价的方 案排出在外，影响优化评价的准确性。 步骤3 ：确定评价的指标及权重 优化评价的指标是目标的具体化，是根据目标而设立相应的评价指标。设立指标 是应遵循下列原则： 系统性原则。指标体系应能全面反映产品或方案的综合情况，即能反映直接效果， 又能反映间接效果，以保证综合评价的全面性和可信度。 可测性原则。指标应含义明确，计算指标所需数据资料便于收集、计算方法简便、 易于掌握。 定量指标与定性指标结合使用原则。用定量指标计算，可使评价具有客观性，便 于计算；与定性指标结合，可弥补单纯定量指标评价的不足。减少偏差。 9 2 幕于v e 的电弧炉方案和车间t 岂配置方案优化选择 t 程硕i j 学位论史 决定指标与相对指标结合使用原则。绝对指标反映总量、规模等，相对指标反映 某些方面的强度或密度。 指标之间应尽量避免关联和重叠关系。在模型建立时，注意去除指标间的相关关 系，以减少偏差。 指标的选择应尽量保持同趋势，以保证可比性。 指标的设置要突出重点。对重要方面可详细设置，对次要方面可粗略设置，但要 保证指标的覆盖面宽1 。 为有利于确定各指标的影响，提高评价的效果，往往对较主要的指标进行分解， 分解为一系列的子指标，构成评价指标树口1 。如图2 2 。 图2 2 评价指标及权重树 图2 2 中，b 为评价目标，它可分为b 。和b ：两个第一级评价指标，而b 又可分 为b 。和b 。两个第二级评价指标，b ：又可分为b ：。、b 。和b ：。三个第二级评价指标。可 见评价指标可逐步分解为若干阶子指标。 由于各项指标对综合优化评价目标的影响程度是不同的，因此需要通过对各项指 标附加权重进行修正，以正确反映各项指标对评价目标影响的程度。重要的指标赋予 的权重较大，次要的指标赋予的权重较小。权重的具体数值采用加权系数反映，每个 评价指标均对应一个加权系数，因此加权系数也跟随指标可进一步分解为一系列子加 权系数，如图2 2 。 图2 2 中，q 。、q ：为一阶指标加权系数，q 。、q 小q z - 、q z z 、q z s 、为二阶指标加权 系数。 由于加权系数采用总合为1 的原则，若用t 表示一阶指标，j 表示二阶指标，则 评价指标的加权系数遵循如下规律： 一阶指标加权系数：0 q f 1 ，q ，= 1 ( 2 2 ) 二阶指标加权系数：0 q 。 1 ，q j ，= q ， ( 2 3 ) l o 工程硕士学位论文 基于v e 和s l p 的短流程炼钢t 程初步设计 评价指标加权系数的确定方法有很多，主要为所占百分比计算法、专家评分综合 法、互比判别法等。所占百分比计算法主要是根据各个指标在总体方案中所占的价值 或成本的百分比来确定其加权系数；专家评分综合法是根据专家评判给出的权重分 数，综合计算后确定加权系数；互比判别法通过各项指标间按相互重要程度一一对比 打分，再具此进行综合计算确定加权系数1 。 步骤4 ：分析计算方案的评价值 针对本课题研究的工程设计方案的综合优化评价，方案的主要指标可归结为技术 评价和经济评价两类。再将主指标逐步分解为各项高阶子评价指标，通过专家评分综 合法或互比判别法，得到各项高阶子评价指标的评价值和各自加权系数。最后计算出 各方案的技术评价值和经济评价值。 方案的技术评价值计算公式如下： 亡 己b l q i 孵= 丝一 ( 2 4 ) j 乙吼 公式2 4 中，各项参数的意义如下： w t 方案的技术评价值，且0 w ， 1 ； b 。方案技术评价各高阶子指标评价值，且0 b ； b “ q 。方案技术评价各高阶子指标的加权系数，且0 q 。 1 ，yq ，：1 ； b 。方案技术评价各高阶子指标最高评价分值，且取b 。= n 9 1 方案的经济评价值计算公式如下： 击 乙h i g i = j 生_ 一 ( 2 5 ) 己g f 公式2 5 中，各项参数的意义如下： w w 方案的经济评价值，且0 w w 1 ； h i 方案经济评价各高阶子指标评价值，且0 凡i 凡小z ： g i 方案经济评价各高阶子指标的加权系数，且0 g i 1 ，；g ，= l h m 、方案经济评价各高阶子指标最高评价分值，且取h 眦。； 结合本课题研究，对于工程设计方案的优化评价，采用技术一经济总价值作为方 案的综合评价值，方案的技术一经济总价值计算公式如下： w = 坼 ( 2 6 ) 公式2 6 中，各项参数的意义如下： 2 基了二v e 的r 【l 弧炉方案和车间工艺配置方案优化选择 丁程硕j i ：学位论文 w 方案的技术一经济总价值，且0 w 1 ； w t 方案的技术评价值，且0 w t 1 ； w w 方案的经济评价值，且0 炼钢原料主要为废钢和少量生铁，没有铁水供应条件，也没有海绵铁( d r j ) 或 热压块铁( h b i ) 。废钢供应渠道主要为进口采购，原料质量波动性大。 工程设置制氧设备，具有氧气和氩气供应条件，且采用水冷炉壁炉盖、碱性耐火 材料等装备，因此可采用强化冶炼工艺及设备。 工厂外部电力供应条件较差，电网短路容量较小，为避免对当地电网的冲击和污 染，保证用电安全，厂内设置静止式无功功率动态补偿装置( s v c ) ；工厂外部没 有燃气管网，冶炼用燃气只能采用轻柴油。 越南国内炼钢企业极少，电炉操作和管理人员紧缺，且没有电炉生产的经验，因 此电炉应考虑易于操作和维护，自动化控制程度高，且事故处理措施考虑周全。 根据年产3 0 力吨钢水、钢种主要为建筑用钢的要求计算，电炉公称容量为4 0 t 左 右，冶炼后期最大炉容不超过5 0 t 。 根据以上工程特点，综合考虑设备的先进性和实用性，可总结出本工程中电弧炉 选择时应遵循的主要原则为： 电弧炉设备在满足生产工艺要求的前提下，具有强化冶炼的能力，且在技术上具 有一定的先进性，可靠性。以保证在连续性和高强度生产条件下的运行能力。 令在保证生产要求的前提下，尽可能减少建设投资。设备尽量选择标准定型产品， 尽量选择中国已有装备技术和中国制造产品，减少其他进口部件。 夺电弧炉设备要易于操作和维护，易出故障点要少，事故控制及处理操作方便，具 有必要的事故备用设施，以尽可能减少事故或故障造成的损失。 电弧炉对原料的适应能力要强，且具有一定的生产富余能力，以保证原料质量波 2 基十v e 的屯弧炉方案和乍问丁艺配置方案优化选择 t 程顶一l 学位论义 动或能源供应波动时仍具有较高的生产能力。 令电弧炉设备必须满足节能要求，对能源和辅助介质的消耗要低，备品备件的消耗 要低，以减少运营费用和生产成本。 电弧炉应具有环境保护设备的配套条件，满足环保设计要求，并保证工人的安全 和卫生条件。 令厂内已考虑设置了静止式无功功率动态补偿装置( s v c ) ，具有一定的电网短路 容量保护能力。电弧炉选择应在充分利用s v c 的基础上，减少对电网的冲击， 改善电气运行特性。 2 3 电弧炉方案的综合优化评价 利用价值工程( v e ) 进行电弧炉方案的综合优化评价，主要步骤为：分析电弧炉 的优化评价目标，列出可行的方案，建立优化评价模型，最终求出最优解，得到电弧 炉的最佳方案。综合优化评价步骤如下： 步骤1 ：确定电弧炉综合优化评价的目标 按照该工程中电弧炉的设计选择原则，可以确定电弧炉设计选择所要达到的各个 目标，并将各个目标的重要程度排序，如表2 1 ： 表2 1电弧炉设计评价目标表 序号 设计选择评价的目标重要程度 l 达到要求的产品质量和产量，并具有一定增产潜能 i 2 建设投资( 设备购置与安装、土建及水电气施工等) 尽可能低 i i 3 对原料条件适应能力强，原材料消耗尽可能低 i i i 4吨钢生产所需能源及介质( 电、水、氧、油、气等) 消耗低 5设备维护、检修费用低，备品备件采购更换费用低 v 6生产事故率低，事故处理费用低，事故损失低 7 操作维护简单，对工人操作要求低，劳力费用低 8生产消耗石墨电极费用低 9生产消耗耐火材料费用低 1 0烟气除尘设施易于设置，泄漏点少，操作环境安全卫生 x 1 1 运行中电气特性平稳，对电网冲击小xi 1 2 运行噪声污染小xi i 表2 1 中，i xi i 为重要程度，i 最重要，xi i 最不重要。 随后的评价指标和权重的确定均需遵照评价目标的要求进行。 步骤2 ：罗列可行的电弧炉方案 电弧炉是依靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借 1 4 工程硕i ：学位论文基于v e 和s l p 的短流程炼钢t 程初步设计 助辐射和电弧的直接作用加热熔化金属和炉渣，从而冶炼出要求成分的钢水或合金的 炼钢设备。 自1 8 8 5 年第一台炼钢用电弧炉问世以来，电弧炉技术就不断得到改善和发展， 围绕着尽可能提高电弧炉炼钢生产率和降低成本的目标，世界各国的技术人员进行了 大量的试验和开发工作，针对不同要求研制出多种类型的电弧炉并投入生产实践。随 着技术的不断进步，传统的普通功率电弧炉在钢铁生产中已逐步淘汰。目前已经成熟 推广和投入生产实践的主要电弧炉类型如表2 2 所示： 表2 2常用现代化电弧炉类型表 序号电弧炉炉型及说明应刚情况主要技术控制方 1超高功率交流电弧炉大规模广泛应用已全国产化 2 超高功率直流电弧炉大规模广泛应用大部分已国产化 3c o n s t e e l 废钢预热电弧炉广泛应用 t e c h i n t 4 f u c h s 指条式竖井电弧炉应用较多v a i ，p w 5双炉壳电弧炉应用较多d e m a g ，n k k ，a b b ，新日铁，d a n i e li 6 竖_ 井式双电极直流电弧炉应用较少a b b ，i h i 石j i i 岛播磨重工 7 多段竖井式电弧炉应用较少新日铁一大同制钢 8 d a n a r c 高阻抗电弧炉应用较多 d a n i e l i 9c o n t i a r c 环形竖井电弧炉应用较少d e m a g 1 0 c o m e l t 倾斜电极竖井电弧炉应用较少 v a i 1 1k o r f a r c 风口喷吹电弧炉应用较少 d e m a g ，k l o c k n e r 一东京制钢 1 2 a r c o n 转炉型电弧炉应用较少 a b b 1 3c o n a r c 转炉型电弧炉应用较少 d e m a g 由表2 2 可见，电弧炉类型很多，因此需要对这些方案进行必要的收敛，去除明 显不符合本工程特点和要求的方案，从而得到符合该工程要求的电弧炉方案集，以便 进行优化评价。 考虑到本工程采用全废钢原料冶炼，生产钢种以建筑用普碳钢为主，设备要求成 熟经济等特点。通过查阅电弧炉炼钢工艺及设备资料，以及咨询专家意见，在电弧炉 方案中将那些不适合该工程特点的方案去除，如采用大量铁水、生铁、海绵铁( d r j ) 、 热压块铁( h b i ) 作原料的类型；多用于冶炼不锈钢、工具钢等特种钢的类型；对厂 房及投资有较高要求的类型；不适合5 0 万吨年产量规模的类型等。最终得到适合本 工程的电弧炉方案为3 个，分别如下t 方案i ：超高功率交流电弧炉( u h pa ce a f ) 。 方案i i ：超高功率直流电弧炉( u h pd ce a f ) 。 方案i i i ：c o n s t e e l 废钢预热电弧炉( c o n s t e e l ) 。 本课题研究的工程设计中，电弧炉的设计选择优化评价就在这3 个方案中进行。 步骤3 ：确定方案评价的指标及权重 15 2 基于v e 的l 乜弧炉方案和- i - 间工艺配置方案优化选择 丁程硕十学位论义 按照表2 1 中的电弧炉评价目标要求，对3 种电弧炉方案分别列出技术评价指标 和经济评价指标，并进行进一步分解。 电弧炉方案评价的技术评价指标可分为两大类：生产能力指标，环境影响指标。 其中生产能力指标可分解为达产能力、产品质量、增产潜力3 项子指标；同样环境影 响指标也可分解为除尘条件、电网冲击、运行噪音3 项子指标。这样，电弧炉方案评 价的技术评价指标最终可分解为6 项高阶子指标，采用b ；表示，分别对应为：b 。达产 能力，b ：产品质量，b 。增产潜力，b 。除尘条件，b 。电网冲击，b 。运行噪音。各项高阶 子指标对应的加权系数分别为：q 。，q ：，q 。，q 。，q ；，q 。 电弧炉方案评价的经济评价指标也可分为两大类：投资及原料费用，生产运行费 用。其中投资及原料费用指标可分解为建设投资、废钢成本、电极成本、耐材成本4 项子指标；同样生产运行费用指标也可分解为能源消耗、设备维护、事故损失、劳力 成本4 项子指标。这样，电弧炉方案评价的经济评价指标最终可分解为8 项高阶子指 标，采用h ；表示，分别对应为：h 。建设投资，h ：废钢成本，h 。电极成本，h 。耐材成本， h 。能源消耗，h 。设备维护，h ，事故损失，h 。劳力成本。各项高阶子指标对应的加权系 数分别为：g 。，9 2 ，9 3 ，9 4 ，9 5 ，9 6 ，9 7 ，9 8 。 由于电弧炉方案各个子评价指标的重要性比较直观，因此可采用专家评判方式， 根据电弧炉评价目标要求，得到电弧炉评价各项高阶子指标的加权系数值，并分别绘 制出电弧炉评价的技术评价指标及权重树图( 图2 4 ) ，和电弧炉评价的经济评价指 标及权重树图( 图2 5 ) 。 1 6 图2 4 技术评价指标及权重树图 丁程硕l j 学位论文 基于v e 和s l p 的短流程炼钢t 程初步设计 图2 5 经济评价指标及权重树图 图2 4 中，有q l = 1 ，( n = 6 ) ，同理，图2 5 中，有g ，= 1 ，( n = 8 ) 。 步骤4 ：分析计算电弧炉方案的评价值 5 1 q ) 电弧炉各方案特点说明 根据炼钢工艺专业资料，将方案i 、方案i i 和方案1 1 1 所代表的3 种电弧炉的应用 情况和特点说明如下： 超高功率交流电弧炉( u h pa ce a f ) 最早由美国专家w e s c h w a b e 于1 9 6 4 年提出， 并逐步完善和推广，成为电弧炉炼钢生产中应用最多的类型，至今仍在电弧炉炼 钢生产中占据主要地位。超高功率交流电弧炉( u h pa ce a f ) 结构特点为采用三 相交流电，通过三根石墨电极从炉体顶部导入炉体，废钢采用底开式料罐从炉顶 加入。其功能上的优点为：技术成熟可靠、设备购置及维护费用低、目前已全部 国产化、故障率和事故率低、原料适应性强、操作简单、增产潜能大。缺点为： 电极及耐火材料消耗较高、吨钢生产电耗较高、电压波动冲击大、产生烟尘较多、 运行噪声较大。 超高功率直流电弧炉( u h pd ce a f ) 是在超高功率交流电弧炉的基础上发展而来， 目前得到了迅速的发展，也成为电弧炉炼钢主要应用类型之一。超高功率直流电 弧炉( u h pd ce a f ) 结构特点为采用直流电，通过炉顶一根石墨电极和相应的炉 底电极将电流导入炉体，废钢也采用底开式料罐从炉顶加入。相对于交流电弧炉， 其功能上的优点为：电极消耗少、电压波动冲击小、吨钢生产电耗较低、耐火材 料消耗低、产生烟尘较少、运行噪声较低。缺点为：需要设置整流设备，设备购 置费用较高；炉底电极更换繁琐，维护费用高；底电极容易出现故障，故障率和 事故率较高，事故处理费用较高；对工人生产操作要求较高。 1 7 2 皋于v e 的电弧炉方案和车间工艺配置方案优化选择丁程硕j i j 学位论义 自从第一台c o n s t e e l 废钢预热电弧炉( c o n s t e e l ) 于1 9 8 5 年在美国n u c o r 公司 投产以来，c o n s t e e l 电弧炉就在意大利t e c h i n t 公司的大力推广下不断发展，目 前已成为废钢预热型电弧炉的首选。c o n s t e e l 废钢预热电弧炉的结构特点为设置 废钢连续加料系统，废钢通过传送带连续加入炉体内，电炉内的烟气逆向通过加 料系统对废钢进行预热。相对于前面两种电弧炉，其功能上的优点为：有效的利 用烟气热量，吨钢生产电耗最低；电极及耐火材料消耗少，电压波动冲击小，产 生烟尘最少，运行噪音较低。缺点为：对废钢原料要求高，原料处理成本高；设 备复杂，国产化程度低，投资费用最高；设备维护费用高，事故处理费用最高； 对工人生产操作要求较高。 根据上述3 种电弧炉方案的特点，查阅相关专业数据，先由专家通过评分的方式 分别给出3 个方案的各个指标的评价分值，然后按照公式2 4 和公式2 5 分别计算出 3 个方案的技术评价值和经济评价值。 电弧炉各方案技术评价值计算 由于技术评价子指标个数n = 6 ，因此技术评价子指标评分采用6 分值，即满分为 6 分。评分标准为技术越先进越有利，则分数越高。3 个电弧炉方案的技术评价值计 算如表2 3 所示，其中b m 驮= n = 6 ，q ，= 1 。 表2 3 3 种电弧炉方案技术评价值计算表 序加权 方案i方案i i方案i i i 号 技术评价指标b t系数 u h pa ce a fu h pd ce a fc o n s t e e l 1 q 1b l 。b i q j “b i ”b i q i b i 1 ”b i q i 1 达产能力 o 2 55 51 3 7 55 51 3 7 55 51 3 7 5 2 产品质量 0 2 55 o1 2 5 05 51 3 7 55 51 3 7 5 3 增产潜力 o 2 05 51 1 0 05 o1 0 0 05 01 0 0 0 4 除尘条件 o 1 54 50 6 7 55 00 7 5 05 50 8 2 5 0 电网冲击 0 1 04 50 4 5 05 o0 5 0 05 50 5 5 0 6 运行噪音 0 0 55 00 2 5 05 50 2 7 55 50 2 7 5 技术评价值 孵：善：吼 1 w t = 0 8 5 0 0 “w t = 0 8 7 9 2w t = 0 9 0 0 0 吼 电弧炉各方案经济评价值计算 由于经济评价子指标个数n = 8 ，因此经济评价子指标评分采用8 分值，即满分为 8 分。评分标准为费用或消耗越低，则分数越高。3 个电弧炉方案的经济评价值计算 如表2 4 所示，其中h m 。= n = 8 ，g ，= 1 。 t 程顾十学位论文堆于v e 和s l p 的短流程炼钢t 程初步设计 表2 43 种电弧炉方案经济评价值计算表 序加权 方案i方案i i 方案i 号 经济评价指标h ； 系数 u h pa ce a fu h pd ce a f c o n s t e el “h i ”h i g i l j i h i h h i g i 1 g 1 h i 。h i g i 1 建设投资 0 2 57 51 8 7 55 01 2 5 04 51 1 2 5 2 废钢成本 o 2 07 01 4 0 06 51 3 0 04 50 9 0 0 3 电极成本 o 0 65 50 3 3 07 o0 4 2 07 50 4 5 0 4 耐材成本0 0 46 o0 2 4 06 50 2 6 07 50 3 0 0 5 能源消耗0 1 5 6 00 9 0 06 5 0 9 7 5 7 01 0 5 0 6设备维护0 1 2 7 5 0 9 0 0 5 5 0 6 6 05 00 6 0 0 7 事故损失 o 1 07 50 7 5 06 o0 6 0 05 50 5 5 0 8 劳力成本 0 0 87 50 6 0 06 5 0 5 2 0 6 o0 4 8 0 经济评价值 ：善竺毋 w - = 0 8 7 4 41 1 w - = 0 7 4 8 1山w = 0 6 8 1 9 k 蜀 ( d 电弧炉各方案的技术一经济总价值计算 根据得到的电弧炉各方案的技术评价值和经济评价值，可得到各方案的技术一经 济总价值如下： 方案i ( u h pa ce a f ) = 7 7 = , 0 8 5 x 0 8 7 4 4 = 0 8 6 2 1 i 方案i i ( u h pd ce a f ) - w = 4 1 崂w w = x 0 8 7 9 2 x 0 7 4 8 1 = o 8 1 1 0 - ( 2 7 ) 一 l 方案i i i ( c o n s t e e l ) ：= 肌w t i = , 0 9 x 0 6 8 1 9 = 0 7 8 3 4 j 步骤5 ：根据判据选择最优方案 根据方案评价一般判据原则，w t 0 6 为不合格，w w 0 7 为不合格，w 0 7 的区域。3 个电弧炉类型方案的评价值优度图见图2 6 。 1 9 2 皋于v e 的i u 弧炉方案和下问t 艺配置方案优化选择 工程硕十学位论文 经 济 评 价 值 v v w 术评价值w t 图2 6电弧炉类型方案评价值优度图 由图2 6 可见，方案i i i 的对应点落在许用区域之外，被淘汰。方案i 和方案i i 中， 方案i 对应的点最靠近开发线，且由式2 7 可验证，方案i 的技术一经济总价值最大， 因此得到优化评价结果，本课题研究的工程中，电弧炉类型方案的最优选择为： 方案i ：超高功率交流电弧炉( u h pa ce a f ) 2 4 炼钢车间工艺配置方案选择的原则 围绕着选定的电弧炉类型，就可以开展炼钢车间的工艺配置设计。炼钢车间的工 艺配置方案是整个短流程炼钢工程的设计基础，也是整个工程设计的框架和依据。根 据越南v a n l o i 公司提供的资料和要求，以及现场考察后得到的情报，可以得出该短 流程炼钢工程具有以下特点，需要在工艺配置设计中予以重视和考虑： 越南v a n l o i 公司投资有限，要求建设周期要短，以保证尽快投产。 工程建设正处于钢材旺销期，要求生产潜能大，且预留扩建条件。 工厂外部电力供应条件较差，有停电情况。 炼钢车间产品为钢坯，要保证质量，降低废品率。 根据以上工程特点，综合考虑工艺配置的先进性和实用性，可总结出本工程中炼 钢车间工艺配置设计时应遵循的主要原则为： 夺在保证工艺功能基础上，选择投资少、建设周期短的工艺配置。 夺工艺配置应成熟可靠，满足冶炼钢种质量要求，尽量提高产量，降低废品率。 工艺配置设计应保证车间调度灵活，流程快捷，生产率高。 令工艺配置设计中，考虑停电时的应急措施，以保证人员和设备安全。 工艺设备要易于操作和维护，易出故障点要少，事故控制及处理操作方便。 2 0 工程硕l ：学位论文基于v e 和s l p 的短流程炼钢t 程初步设汁 令工艺配置设计方案满足节能要求，对能源和辅助介质的消耗要低，备品备件的消 耗要低，以减少运营费用和生产成本。 令工艺配置设计方案应满足环保设计要求，并保证工人的安全和卫生条件。 2 5 炼钢车间工艺配置方案的综合优化评价 利用价值工程( v e ) 进行炼钢车间工艺配置方案的综合优化评价，主要步骤为： 分析工艺配置设计的评价目标，列出可行的方案，建立优化评价模型，最终求出最优 解，得到最佳工艺配置设计方案。综合优化评价步骤如下： 步骤1 ：确定车间工艺配置综合优化评价的目标 按照该工程中炼钢车间工艺配置方案选择原则，确定工艺配置方案所要达到的各 个目标，并将各个目标的重要程度排序，如表2 5 ： 表2 5车间工艺配置方案评价目标表 序号设计选择评价的目标 重要程度 1 保证要求产量，增产潜能人，扩建条件好i 2 建设总投资尽可能低，建设周期间可能短i i 3 保证产品质量，降低废品率 i 4 生产能耗、维护运行费用低，生产成本低 5 生产组织高效，生产率高 v 6 生产故障和事故率低，事故处理费用低，事故损失低 7 操作维护简单，对工人操作要求低，劳力费用低 8 烟气除尘效果好，操作环境、安全卫生条什好 表2 5 中，i 为重要程度，i 最重要，最不重要。 步骤2 ：罗列可行的炼钢车间工艺配置方案 短流程炼钢工程的车间工艺配置方案是一个总体的综合设计方案。炼钢车间包含 多个功能元和部分，各部分和功能元之间相互作用和影响，其消耗的原料和能源种类 多样，产出的产品也是多样的。因此可将整个炼钢车间看作一个有特定输入和产出的 “黑箱 系统。短流程炼钢车间用黑箱理论描述如图2 7 所示。 合格钢坯 图2 7 短流程炼钢车间输入输出系统图 2 l 2 皋于v e 的f 乜弧炉方案和车间t 艺配置方案优化选择t 程硕l j 学位论文 根据炼钢车间系统原理，将炼钢车间总功能分解为1 8 个功能元，对各功能元的 可能解进行发散，形成炼钢车间工艺配置设计方案的形态学矩阵，通过方案组合，就 可得到所有可能的求解方案。炼钢车间工艺配置设计方案形态学矩阵见表2 6 。 表2 6炼钢车间工艺配置设计方案形态学矩阵表 代功能元解 号 功能元 123 a 废钢配料称量移动称重平车在线轨道衡固定地面台秤 b 废钢入炉方式蛤式底开料罐链条底板式料罐 c 石灰加料方式提升机加料仓行车加入炉前料废钢料罐配入 d 电炉吹氧喷碳炉门机械碳氧枪 炉壁固定碳氧枪炉门人工吹氧 e 电炉出钢方式偏心炉底( e b t )出钢槽中心炉底 f 电炉出钢方向横向布置纵向布置 g 电炉出渣转运 活动平台吊出炉下热泼渣渣罐车开出 h 电炉除尘方式全封闭“狗窝”罩第四孔+ 屋顶罩导流板+ 屋顶罩 i 钢包出钢烘烤在线立式烘烤 离线立式烘烤离线卧式烘烤 j 钢包转运精炼炉钢包同转台 离线钢包车在线钢包车 k 精炼炉类型 l fc a s - 0 b c a s l 连铸机机型多点矫直弧形 全弧形 超低头弧形 m 中间包流量控制升降塞棒定径水口滑动水口 n 结晶器结构组合式 管式 整体式 o 结晶器振动机构短臂四连杆四偏心轮差动齿轮 p 二冷区喷水布置单管式环管式 q连铸坯在线切割 火焰切割机械飞剪液压飞剪 r 连铸坯冷床翻转步进式拨爪式滑轨推进式 根据方案形态学矩阵，对方案进行排列组合，可形成车间工艺配置方案共n 个。 n = 3 2 3 3 3 2 3 3 3 3 3 x 3 3 3 x 3 2 3 3 = 1 1 4 7 9 1 2 5 6 根据炼钢车间工艺配置选择原则和目标要求，对众多设计方案进行“收敛”优选， 把形态学矩阵表中与设计原则不相容的方案剔除，并根据工程设计经验，结合专家意 见，选择出切实可行的解，最终组成有选择评价价值的3 个组合方案如下。 工艺配置方案i ：a 1 - b l c 1 d 1 一e l - f 2 g 2 一h 2 i l j 1 - k 1 l 1 m 1 n 3 0 3 p 1 q 3 r 1 工艺配置方案i i ：a 1 - b 2 一c 3 一d 3 e 1 f 1 一g 1 h 3 1 2 一j 3 k 2 l 1 m 2 n 3 0 1 p 1 q 1 r 3 工艺配置方案i i i - a 2 一b 1 一c 2 d 1 e 1 f 1 g 3 h 3 一1 3 j 3 k 1 l 1 m 2 n 2 一0 1 p 1 0 1 r 3 步骤3 ：确定工艺配置方案评价的指标及权重 按照表2 5 中的工厂工艺配置优化评价目标要求，对以上3 种工艺配置方案设定 技术评价指标和经济评价指标。由于将炼钢车间看作个整体系统，可直接将其技术 评价指标和经济评价指标分解为各子指标。 工程硕t 学位论文基于v e 和s l p 的姚流程炼钢_ t 程初步设计 炼钢车间工艺配置方案的技术评价指标可分解为8 项子指标，采用b ；表示，分 别对应为：b 。增产潜力，b 。扩建条件，b 。建设周期，b 。产品质量，b 。生产效率，b 。故 障机率，b ，操作维护，b 。环保安全。各项高阶子指标对应的加权系数分别为：q 。，q 。， q 3 ，q 4 , q s , q 6 q v ，q 8 。 由于车间工艺配置方案的各个技术评价子指标相互影响程度大，直接判定各指标 权重较困难，因此采用互比判别法，按4 级重要程度，通过各技术评价子指标间一一 对比打分，即可确定相应的加权系数q ，。互比判别计算结果见表2 7 。 表中各分值表示各技术评价指标相对于各技术比较指标的重要程度，分值越高代 表相应技术评价指标相对越重要。4 分为技术评价指标相对最重要，0 分为技术评价 指标相对最不重要。表中k ；为各指标得分之和，q ；为各指标加权系数。且有： k ， 钆2 了l k ( 2 8 ) f 2 8 表2 7 工艺配置方案技术评价指标加权系数互比判别计算表 序 技术比较指标得分 号 技术评价 加权系 指标 增产扩建建设产品生产故障操作环保 之和 数q j 1 潜力条件周期质量效率机率维护安全 k i 1 增产潜力 22333342 0o 1 7 9 2 扩建条件 22233331 80 1 6 1 3 建设周期 22233341 90 1 7 0 4 产品质量 12223331 60 1 4 3 5 生产效率 1112223 1 20 1 0 7 6 故障机率 11112221 00 0 8 9 7 操作维护 11112231 l0 0 9 8 8 环保安全 010112160 0 5 3 合计1 1 2 1 0 0 0 炼钢车间工艺配置方案的经济评价指标比较明确，即为方案的总投资和生产运营 成本的费用总和。由于炼钢车间总的投资和生产运营费用可以测算评估得出，因此不 需进行子项分解和权重计算。 步骤4 ：分析计算工艺配置方案的评价值 工艺配置方案技术评价值计算 工艺配置方案技术评价值采用专家评分法，由于技术评价子指标个数n = 8 ，因此 技术评价子指标评分采用8 分值，即满分为8 分。评分标准为技术越先进越有利，则 分数越高。3 个工艺配置方案的技术评价值计算如表2 8 所示，且b m a x - - n = 8 ，q ，= l 2 ，基于v e 的咆弧炉方案和车间丁岂配置方案优化选择t 程颀i j 学位论文 表2 83 个二l ：艺配置方案的技术评价值计算表 序 加权方案i方案i i方案i 号技术评价指标b 。 系数 。b j 。b i q i ”b j “b , q l m b i m b j q j 1 q 1 1 增产潜力 o 1 7 97 o1 2 5 3 06 o1 0 7 4 07 o1 2 5 3 0 2 扩建条件 0 1 6 17 51 2 0 7 56 51 0 4 6 57 o1 1 2 7 0 3建设周期o 1 7 07 01 1 9 0 06 51 1 0 5 06 51 1 0 5 0 4 产品质量 0 1 4 37 5 1 0 7 2 55 50 7 8 6 5 7 0 1 0 0 1 0 5生产效率0 1 0 77 50 8 0 2 55 50 5 8 8 57 00 7 4 9 0 6 故障机率 0 0 8 97 o0 6 2 3 06 o0 5 3 4 07 o 0 6 2 3 0 7 操作维护 0 0 9 87 00 6 8 6 05 50 5 3 9 0 6 50 6 3 7 0 8环保安全0 0 5 37 50 3 9 7 56 o0 3 1 8 07 o0 3 7 1 0 技术评价值 ：善：吼 1w t = 0 9 0 4 0 “w t = o 7 4 8 9w t = o 8 5 8 3 q ， 工艺配置方案经济评价值计算 工艺配置方案的经济评价值，可通过分别估算3 个方案的实际投资及运营费用， 并与理想的投资及运营费用估算值之间进行对比，最终求解。求解过程见表2 9 。 表2 9 3 个工艺配置方案的经济评价值计算表 方案经济评价值计算项目方案i方案i i方案i i i 工程实际的投资及运营费用估算( 亿人民币) h 1 h = 2 0 9“h = i 7 0”1 h = i 8 1 工程理想的投资及运营费用估算( 亿人民币) h h = 1 。5 0 价值 = 导 。w f = 0 7 1 7 7。w ，= 0 8 8 2 4m w ，= 0 。8 2 8 7 工艺配置方案的技术一经济总价值计算 根据