基于集约化理论的铁钢界面生产组织优化

2021-04-21陈先利于银俊胡涛郭永谦贾秀岭王永挺

河南科技 2021年2期

陈先利于银俊胡涛郭永谦贾秀岭王永挺

摘要：对于大型长流程钢铁企业来说，在生产过程中，速度和时间就是效益。高炉、转炉是钢铁企业的核心工序，精细、高效地衔接高炉与转炉两大工序是提升企业生产组织能力的重要途径，也是实现高效化生产的关键。安阳钢铁集团有限责任公司基于集约化理论全方位科学优化铁钢界面生产组织，通过实行“一罐到底”、加强铁水罐管理、改变铁水罐运输模式、电炉定炉定罐制、废钢结构“私人定制”、转炉和电炉生产组织创新、冷轧集中一贯制等措施，以大数据动态调度模型为支撑，提高铁水罐周转速率，降低铁水周转环节的温度损失，提高铁水的入炉温度，优化废钢结构，缩短炼钢冶炼周期，实现了企业高效化生产，取得了显著的经济效益和社会效益。

关键词：钢铁;速度;时间;界面;优化;效益

中图分类号：F426.31;F224文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）02-0118-05

Optimization of Production Organization of Iron-steel Interface Based on Intensive Theory

CHEN Xianli YU Yinjun HU Tao GUO Yongqian JIA Xiuling WANG Yongting

（Anyang Iron & Steel Group Co.， Ltd.，Anyang Henan 455000）

Abstract： For large-scale long-process steel companies， speed and time are benefits in the production process. Blast furnaces and converters are the core processes of iron and steel enterprises， the precise and efficient linking of the two processes of blast furnace and converter is an important way to improve the production organization capacity of an enterprise， which is also the key to achieving efficient production. Based on the theory of intensification， Anyang Iron & Steel Group Co.， Ltd. scientifically optimized the iron-steel interface production organization， and through the implementation of "one tank to the end"， strengthening the management of molten iron tanks， changing the transportation mode of molten iron tanks， electric furnace fixed furnace and fixed tank system， "private customization" of scrap steel structure， innovation of converter and electric furnace production organization， and cold rolling centralized and consistent system， etc.， it used the big data dynamic scheduling model as its support to increase the turnover rate of hot metal tanks， reduce the temperature loss of molten iron turnover， increase the temperature of molten iron entering the furnace， optimize the structure of scrap steel， shorten the steelmaking cycle， and realize the high-efficiency production of the enterprise， which has achieved significant economic and social benefits.

Keywords： steel;speed;time;interface;optimization;benefit

對于钢铁企业而言，高炉炼铁是核心生产工序的源头，是钢铁企业能否高效运营的根本环节，而转炉炼钢工序是生产流程中承上启下的关键环节。两者既独立运行、各有特点，又彼此联系、休戚与共。如何精细、高效地衔接高炉与转炉两大工序一直是钢铁企业提升生产组织能力的重要研究课题，也是实现高效化生产的关键。实现两大工序的平稳高效衔接，避免铁钢不平衡的矛盾对现有产能的发挥造成影响和制约，对生产组织、流程再造、工序联动提出了更高要求。因此，将两大工序结合起来作为一个整体，对铁钢流程进行综合性的管控能力提升，不仅能为高炉稳定顺行提供有力的支撑，也能为转炉低成本高效率的炼钢创造良好条件，最终实现企业精益化、高效化、高质量化发展。

集约化理论是指充分利用一切资源，集中合理地运用现代管理和技术，充分发挥既有人力资源的效应，提高工作效率，实现整体效益。本文基于集约化理论，突出生产组织中的“速度”和“时间”，运用现代管理和技术，优化铁钢界面生产组织，采取科学措施，关键指标取得突破，达到了良好的效果。具体生产组织优化与实践如下。

1 实行“一罐到底”

铁水罐从高炉炉下盛装铁水至炼钢厂直接进入转炉兑铁，其间不再进行折铁、分兑等流程，简化生产工序，降低铁水温损，保证转炉在大废钢比的冶炼模式下具有良好的热平衡条件[1]。

1.1 转炉兑入铁水温度提高

从表1、表2可以看出，平均每罐铁水入炉前提高31 ℃，如果按减少1 ℃铁水温降，转炉吨钢能耗成本节约0.35元计算[2]，一炼轧每罐铁节约炼钢成本约1 000元，二炼轧每罐铁节约炼钢成本约1 550元。照此计算，公司全年节约炼钢能耗成本约8 000万元。

1.2 转炉废钢比增高

由于入炉温度的提高保证了100 t、150 t转炉大废钢比冶炼模式的热平衡条件，加上废钢斗改造后，有条件实施节铁增钢，如表3所示，公司一天增钢约1 000 t铁水，吨钢增效按300元计算，一年公司增效约1亿元。

1.3 构建铁水罐排队模型

本研究采用排队论[3]对转炉前的铁水罐组织模式进行分析，建立了两种排队数学模型。当前，国内转炉炼钢前准备的铁水罐或铁水包大都采用供需平衡算法[4]，或者依据炼钢节奏推导出铁水罐或铁水包需要的数量及相关时间，铁水罐或铁水包数量基本都处于富裕状态，等待时间过长，不能满足高效化生产的需求。铁水罐的等待过程实质就是排队问题。笔者立足于现状，提出基于排队理论构建铁钢界面中铁水罐的生产组织模型，确定铁水罐等待兑铁时的运行组织模式，为炼钢高效化生产提供支撑。

安阳钢铁集团有限责任公司（简称安钢）铁钢界面中，炼钢与炼铁是通过铁水罐衔接的，铁水罐周转过程如图1所示。可以看出，对于转炉兑铁环节，每个铁水罐的状态都可以看作顾客（铁水罐）相继到达服务台（转炉）排队等待接受（兑铁）服务，并在完成任务之后离开。安钢第二炼轧厂有三座150 t转炉，故其排队模型有两种模式，铁水罐单队三个转炉兑铁排队模型、铁水罐三个队三个转炉兑铁排队模型，即M/M/1//排队模型和M/M/3//排队模型。

假设铁水罐的到达时间服从泊松分布，铁水罐服务时间服从负指数分布，通过建模计算数学指标，如表4所示。

由表4可知，第二种组织模式铁水罐共享三台转炉的效率最高。此模型被选择应用于实际生产，结果表明，其大大提高了生产效率，为炼钢生产组织高效化奠定了坚实的基础。

2 加强铁水罐运行管理

2.1 铁水罐扩容改造

安钢目前使用的是170 t铁水罐，为满足第二炼轧150 t转炉正常生产下一罐铁兑一炉的生产需求，将铁水罐进行升级扩容，如表5所示，每个罐至少增加10 t，铁水罐维护费用减少。第二炼轧厂日耗铁约17 500 t，日减少铁水罐周转9次，铁水罐维护采用外包制，按0.8元/t铁计算[5]，一年节约38万元。运行罐数减少，改造后运行罐数降至6.5个罐，1个铁水罐成本按约100万计算，一年节约650万元。

2.2 多措并举，延长铁水罐的使用寿命

安钢通过优化内衬材质、完善永久层设计、改进砌筑工艺、加强日常运行监测和管理[6]，延长铁水罐的使用寿命，由400次延长至至少550次，支撑扩容后一罐到底的执行率。

3 火车运输模式的优化

铁水罐运输全部使用火车方式。高炉生产是连续不间断的全天候作业，高炉炉体容积是有限的，必须及时出铁，这就要求空罐车及时配到，顺利将铁水运出出铁场;转炉炼钢是周期性间歇生产，为保证炼钢连铸工艺流程不中断，铁水的供应应与转炉炼钢的周期相协调[7]。因此，铁水运输应在高炉和转炉生产中找到一个合适的运输节奏，在节能的同时，保证“高炉—转炉”这一生产过程的高效、连续[8]。制约铁水温降的还有一个关键因素，即铁钢计划不匹配，铁水在运输途中等待时间过长，温降较大。为解决这个问题，依据生产计划，改变传统“以铁定钢”模式，实施“以钢定铁”[9]，灵活采取多种运输模式，建立“分次调铁”“四罐一送”“极限罐数”等多种运输模式。

铁水紧张时，实施“分次调铁”，即核心是在“一罐到底”的前提下，通过优化运输路线、合理使用机车数量，将高炉单次铁水运输通过2～3次运至转炉，保证铁水快速运输、快速周转，降低铁水在途中的温降;个别转炉事故或检修时，铁水相对富裕，150 t转炉实行“四罐一送”制，机车有效利用效率得到提升，日运铁次数由40次降至低于30次，节约了机车的运行费用;秋冬季环保管控期间，高炉减量生产，采用“极限罐数”运行，严格控制上线铁水罐数，及时下线富裕铁水罐，提高在线机车运输组织水平，减少运输作业干扰现象[10]，高炉、转炉、运输部门三者高效联动，集中化管控，提高单个铁水罐利用系数，将其由2.5提至大于3.5，不但为机车的年度维护、铁水罐的大修创造条件，而且减少了铁水罐的温度损失，效益非常可观。

4 一座100 t电炉执行定炉定罐制，实施“一罐铁、一篮料”工艺，“优”出时间

电炉生产中有两个疑难问题：其一，兑铁中经常铁水溜槽堵，经分析，原因是铁水罐耐材漂，炉前工处理时间过长;其二，铁水罐经常结壳，因执行一罐到底，混铁炉已取消，故铁水罐一旦结壳就需要退回，重新换其他罐，严重影响了电炉的生产节奏。为应对以上问题，安钢制定以下措施。

一是电炉使用铁水固定一个高炉出铁;采取专用铁水罐措施，电炉罐专罐专用;高炉打开口出铁首尾罐不能用于电炉专用罐。实行定罐（专用罐）出铁，不仅保证了铁水成分的稳定性，还减少了铁水溜槽堵的问题。

二是厂内实现转炉、电炉废钢分类存放，有效提高装料效率。

三是优化废钢结构，对加料篮堆密度进行攻关，采购方实行“私人定制”，使用方采取“按方抓药”方式，固化废钢料型，提高破碎料比例，减少废钢在料篮的占比空间，增加堆比重。然后，制定电炉一罐铁一篮料配料定制方案，如表6所示。通过实践，将不同废钢种类合理搭配，既经济又能提高堆密度，实现一篮废钢65 t，且装入电炉减少压料，压缩电炉冶炼周期至少10 min。

四是电炉炉龄攻关。自2017年复产以来，电炉一次性炉龄一直徘徊在450～500炉，使用周期为20～25 d，最高炉龄为521炉，提高炉龄成为降成本、高效化的重点攻关课题之一。在每一次炉壳下线拆炉时，在现场根据炉衬断面，分析炉底、炉壁各部位的受损情况，做好记录，通过对电炉耐材侵蚀机理的分析，结合冶炼工艺的现状，不断优化冶炼操作工艺。每次新炉壳上线，严格执行烘炉曲线，并对冶炼渣系控制进行工艺优化。在冶炼过程中，严格控制终点碳，防止过氧化钢水对炉衬的过度侵蚀，通过喷入碳粉解决钢水氧化性问题。最终，8月27日电炉炉龄突破600炉，安全下线，创造了2017年电炉复产以来610炉的历史最好水平。

采取以上措施后，电炉冶炼的效率迅速提升，单炉冶炼周期从近50 min缩短至33 min，日产量也从“一罐铁、一篮料”工艺实施前的24炉增加到37炉，如图2所示;吨钢成本降低25元，即每炉钢可降低成本2 600余元，100 t电炉在短时间内实现了产量、效益双提升。

5 三座150 t转炉充分挖掘管理、设备、技术，从每道生产工序间寻找突破点，分秒必争，“节”出速度

按“秒”协同，制定《转炉高效化生产“秒”方案》，量化操作行为，精确到“秒”。减少天车运输物料时间，从操作理念和方法上探索出“两到位、两不调、两合适”操作法，即废钢天车、铁水天车提前快速到位，主钩、副钩高度不用调，距离炉口、罐（包）位置合适，有效提高了天车操作精准度和运行效率，每炉钢装卸时间节约2 min。

采用更加灵活的“调度-生产指挥中枢系统”，以混铁炉区域和炼钢区域为主要阵地，将调度系统前移至炼钢平台现场，电气、机械、天车等生产专业技术人员24 h跟班蹲点，确保工序密切衔接，加快冶炼节奏。遇到问题，要靠前指挥，直接压缩沟通环节，提高信息传递效率，各工序节奏不断加快。

氧枪吹炼过程中，吹氧强度由3.4提高至4.0，每炉钢节约1.5 min;改进出钢口材质，将其寿命由200炉提高至400炉，缩短周期内更换时间，每周可多出2炉钢水;精炼造渣工艺前移，出钢过程中添加渣洗料，提高钢水质量，节约冶炼时间4～5 min。

构建冶炼工艺时长模型（见表7），严格执行不等铁、不等废钢、不等渣罐、不等钢包、不等成分的转炉“五不等”管控原则。具体措施有：上料过程中，专人负责加料跨指挥协调天车作业，加料跨天车紧密高效分布，实现上料快速移动及作业;吹炼过程中严格按照规程操作，提高控制水平，加强石灰等原材料质量监督检查，早化渣、化好渣，控制好终渣，终点温度大于1 630 ℃，不倒炉出钢;出钢作业前确保钢包到位，用氮气打渣或加抑制剂出钢，倒渣前确保渣罐到位，可倒出部分渣再溅渣，缩短溅渣护炉时间，实现溅渣操作的精益化。

2017年5月以来，三座150 t转炉连续创造破产记录，如图3所示，创造了较好的经济效益。

6 一座100 t转炉探索创新，多次试验调整，“抢”出节奏

安钢根据自身炉料结构情况，探索创新，多次试验调整，总结出适合炉容、炉型的标准，供氧强度由3.2提升至3.7，每炉钢抢出3 min;改造炉前取样枪，实现测温取样同时进行，抢出2 min;扩大出钢口直径，加快出钢速度，抢出1 min;创新冶炼操作方法，灵活应用少渣、留渣、双渣法等冶煉技巧，不断优化转炉工艺路线，冶炼一炉钢的耗时由33 min缩短至26.6 min。

经过创新与实践，日产最高突破45炉，较以往日平均增加8炉。

7 实行冷轧集中一贯制

集中一贯制就是对各工序、各生产环节统一管理、统一协调的新型管理体制，管理者站在钢铁生产工艺流程的大局上理顺各生产环节之间的关系，协调处理各生产环节之间的矛盾，使生产能力和效率得到极大的解放和发展[11]。建立冷轧集中一贯制领导小组，组建生产、技术、质量、环保等9个专题工作组，制定出台《冷轧集中一贯制管理方案》，强化工序服从、专业协同，坚持工艺先行、设备跟进，全面梳理问题，明确工艺要求、改进措施和时间节点，加强学习对标和内外衔接合作，快速打通“炼钢—热炼轧—冷轧”工艺衔接，尽快实现冷轧产品定位高端的目标。自2017年8月以来，连续3个月实现盈利，特别是10月份，产量挺近10万t关口，实现冷轧投产以来首月达产。其中，连退机组产量超7万t，超出设计能力16.6%;“家电板、汽车钢、特种钢、量具钢”四大重点品种产量突破2万t，同比增加92%;薄规格产量达到2.8万t，同比增长288%，取得了良好的经济效益和社会效益，也为公司转型发展、高质量发展提供了强力支撑。

8 建立厂外废钢基地，保障炼钢原料供应稳定

一是废钢科学分类，建立等级标准。鉴于不同品种的废钢对冶炼时间、能耗、合金、钢水质量、碳排放的对应数据关系，建立废钢配置控制体系，指导废钢的科学应用。二是构建新型的专业化废钢配送体系，实现“大批量采购、集中加工、统一配送”。这种新型的体制有利于应用废钢加工新工艺和新设备，利于废钢的分类和净化处理，提高废钢品种和质量，实现精料入炉;有利于有毒有害物的监控和处理，集中防治环境二次污染;有利于缩短冶炼时间，减少能耗，降低成本;有利于稳定废钢供应渠道，保障供应。

9 构建全方位数字动态调度模型，优化生产制造流程

大力推进数据归档建设，基于数据驱动的理论和方法，运用现代控制理论和人工智能技术，构建多种数据模型，建立铁钢动态平衡模型、炼钢事故状态下的生产组织模型及预案、系统高效化生产平衡模型、铁水动态物流-铁水罐追踪物流系统、电炉专用罐周转模型、不同铁比的转炉炉料结构优化冶炼模型、生产调度系统事故处理模型、能源介质的实时动态调度模型，基于大数据实现铁素流、能源流的“五化”（可视化、标准化、数字化、可追溯化、动态优化），为高效化生产提供理论支撑。

10 结语

本研究基于集约化理论，通过多途径多视角优化铁钢界面生产组织模式，提高铁水罐周转速率，降低铁水周转环节的温度损失，提高铁水的入炉温度，优化废钢结构，缩短炼钢冶炼周期，实行冷轧集中一贯制，实现了企业高效化生产，取得了显著的经济效益和社会效益，在同类型企业中具有重要的借鉴意义。

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