一种面向中厚板产线的炼钢生产数据解析与优化排程方法技术

一种面向中厚板产线的炼钢生产数据解析与优化排程方法，属于冶金自动控制技术领域；本发明专利技术针对钢种之间的混浇关系提出了基于成分数据和历史排产数据相结合的数据解析方法；基于中厚板产线生产过程特征提出了合同组距归并、计划铸坯合炉、炉次拼包以及包次排序序贯决策的优化策略；基于排产结果提出了针对轧制阶段库存变化趋势和炼钢合金消耗的精细化测算方法。本发明专利技术通过优化计划铸坯的组合关系有效降低了计划余材量和混浇坯的改判量，减少铸坯库存，提高资源利用率，通过优化配置瓶颈工序的生产资源，保障产能发挥，协调了铸轧物流，缩短生产和交付周期，通过精细化定量管理技术减少浪费，达到了降本增效的目的。达到了降本增效的目的。达到了降本增效的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种面向中厚板产线的炼钢生产数据解析与优化排程方法


[0001]本专利技术属于冶金自动控制
，具体涉及一种面向中厚板产线的炼钢生产数据解析与优化排程方法。

技术介绍

[0002]中厚板是一种宽厚比及表面积都较大的扁平状钢材产品，在建筑工程、机械制造、造船工业及桥梁建造等领域均有广泛应用。随着国内和国际钢材市场的整体变化，中厚板的品种规格及需求领域愈加多样。从生产流程上来看，中厚板生产包括炼钢和轧制两个主要阶段，其中炼钢阶段主要包括转炉冶炼、二次精炼和连铸三个主要工序，轧制阶段则主要包括加热、粗轧、精轧和剪切四个主要工序。
[0003]在炼钢阶段，首先是以铁水、废钢为原料，通过转炉吹氧冶炼来调整碳、锰、硅、磷、硫等杂质元素的含量，提高钢水的洁净度。炉次是炼钢阶段的最小作业单位，一个炉次是指同时在一个转炉内冶炼的钢水从开始冶炼到浇铸为止的整个过程。转炉炼钢具有严格的工艺限制，为了提高转炉的利用率，钢水在转炉内需要满炉生产。对于部分品种钢产品对应的钢水，需要通过添加合金元素铌、铬、钛、硼、钒、镍、铜、钼、锑来调整钢水成分，以来满足中厚板产品对质量、品种与性能的要求。RH是一种具备脱碳、脱气、调整温度和合金成分的钢水二次精炼工艺设备，钢水冶金反应是在砌有耐火衬的RH真空室内进行。钢水进行RH精炼过程中，由于钢水不断循环和发生冶金反应，钢渣将会喷溅到RH真空室的内壁上，进而在中部槽和底部槽形成不易脱落的冷钢。因此，对于RH精炼设备而言，在精炼一定炉数的钢水后需要对真空室进行下线维护，清除真空槽中部和底部的冷钢，该作业过程称为清冷钢。连铸作业主要任务是将精炼后的钢水经中间包在连铸设备上连续注入用水冷却的结晶器里，待到铸件成形，以稳定的速度拉出，经水冷却、电磁搅拌后，切成指定长度的铸坯。不同炉次的钢水构成的炉次序列可以在连铸设备上连续浇铸，但需要满足钢种成分兼容和结晶器调整的工艺要求。当前后炉次的钢种成分不一致时，将会导致中间包内的“新”钢种与“旧”钢种发生混浇，从而产生混浇坯，混浇坯需要改判给对钢种成分要求低的订单。中间包内衬的耐火材料具有一定的使用寿命，连续浇铸一定的炉数后需要对中间包进行更换。此外，当前后炉次对应的铸坯断面尺寸不一致时，需要对连铸设备停机后设定结晶器尺寸，此时同样需要更换中间包。
[0004]在轧制阶段，铸坯要顺序进入粗轧和精轧两个工序，分别完成成型、宽展工作及伸长轧制、性能和板型控制工作。当铸坯被轧成母板后，先在精整线冷床上缓慢空冷，然后将母板剪切成子板入库。这一阶段主作业线长、工序繁杂，难以像连铸阶段形成钢种和铸坯规格的批量匹配。故此，为保证轧制工序的产能需求，一般要求连铸产能大于轧制产能。而连铸
‑
轧制两阶段之间的坯库能够对铸坯起到一个缓冲作用，决定铸坯既可以以热送的方式在高温状态下直接进入轧制车间进行轧制，也可以以冷送的方式先进入坯库缓冲，经二次加热后再进行轧制。由于中厚板厂轧制车间按中板与厚板区分，同工序产线包含若干并行机组，导致上下游工序的供料关系呈交叉网状，同时铸坯冷热混装的物流衔接模式，使得连
铸
‑
轧制阶段的物流调度更加复杂。所以，为保证轧制生产的连续性，需要对铸坯库存严格控制。
[0005]由于中厚板产品存在规格品种多，性能差异大，质量要求高，交期严格等一系列的物理特点和管理要求，使得中厚板产品在炼钢生产组织技术上与薄带钢产品具有显著的差异。薄带钢产品通常采用按吨交货方式，订货量较大且允许有一定的公差，在生产组织过程中需要根据客户的订货量进行合炉炼钢，同时需要根据订货量确定每个订单的计划铸坯数量和铸坯单重。中厚板产品通常采用按张交货方式，订货量依赖于订货张数和产品标准规格，在生产组织过程中首先需要根据订货产品的规格属性进行坯料设计得到计划铸坯，然后以计划铸坯为对象进行合炉炼钢。因此，从炼钢生产组织来看，中厚板同薄带钢在排产对象和模式方面存在显著差异。在中厚板企业竞争环境愈加激烈的形势下，如何在满足客户需求的基础上，解决订单个性化和多样化需求与炼钢批量化生产之间的矛盾，均衡成本、交期、产能及库存各类复杂指标是中厚板炼钢生产组织迫切关注的重要技术问题。
[0006]中厚板产线炼钢生产排程的主要任务是以计划铸坯为输入，在考虑各炼钢、精炼、连铸和轧制机组工艺要求和产能约束的前提下，将品种规格多样化的计划铸坯进行优化组合形成转炉和连铸设备的生产批次，同时决策生产批次在连铸设备上的生产日期和浇铸顺序，从而能够满足客户需求，合理利用瓶颈资源，保证安全库存水平，维持生产节奏一致性的目标。在制定中厚板产线炼钢生产排程计划时，针对品种规格多样化的计划铸坯的优化组合决策，需要充分考虑转炉满炉生产的工艺要求，需要综合考虑钢种替代导致的利润损失和生产计划余材带来的库存成本之间的折衷，需要从生产工艺要求出发确定不同成分钢种的混浇关系，需要充分考虑优化组合过程中由于计划铸坯钢种成分和断面尺寸差异对中间包利用率的影响。针对生产批次在连铸设备分配与排序决策，需要充分考虑连铸设备上浇铸的钢水批次序列对RH精炼工序清冷钢作业的影响，需要充分考虑连铸设备上铸坯产出同加热炉装炉、轧制作业的合理衔接，需要充分考虑连铸设备上铸坯产出对轧制机组库存结构的影响，不合理的铸坯产出顺序会影响瓶颈机组产能的发挥以及导致下游机组涨库或断料情况的发生。因此，中厚板产线炼钢生产排程是一个与生产工艺与生产组织模式密切相关的技术问题。
[0007]当前，为解决中厚板产线炼钢生产排程问题，中厚板企业通常采用依赖计划员主观经验的人工排产方法。这种方法中计划员首先考虑炼钢车间机组的有限产能和订单交期的要求，分析每天铸机对不同断面铸坯的生产情况，提取当日拟生产的计划铸坯进行品种规格归并，根据人为设定组批规则和混浇规则对计划铸坯进行组批，然后将批次分配到相应的机组上并进行排序。由于企业实际生产数据规模庞大，生产工艺约束复杂，采用人工排产存在以下问题：
[0008](1)人工排产在面对庞大的计划铸坯清单和复杂的工艺约束时，通常只考虑短期的作业计划，即从当前的计划铸坯清单挑选部分计划铸坯进行组批和排产，对剩余计划铸坯在之后的组批和排产未统筹考虑，但仅考虑当前的作业计划会使得炼钢排程整体计划丧失一定的全局最优性。
[0009](2)人工排产难以综合考虑设备利用率、合同交期、半成品库存等技术经济指标，各个计划员按工序分开排产，组批、排产及物流平衡各决策之间的衔接性差，不能集成优化。
[0010](3)人工排产对钢种混浇工艺规则仅从经验出发，没有从钢种成分要求出发进行精准定量计算，也没有从生产组织和技术标准的协调优化视角出发进行统筹考虑，具有一定的主观性。
[0011](4)人工排产目前还不能做到对生产绩效指标精细化评估，由于不能准确估算生产过程中的合金消耗、设备产能与负荷能力，通常会造成原材料库存积压、交货延迟、机组负荷失衡等现象。
[0012]目前，已公开的专利ZL200810011659.1“一种炼钢－连铸炉次批量计划自动编制方法及系统”主要实现了将板坯组合到炉次来实现炼本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向中厚板产线的炼钢生产数据解析与优化排程方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取中厚板厂的历史排产数据以及钢种代码库中各个钢种代码的成分数据；根据历史排产数据及钢种代码的成分数据对钢种代码的混浇关系进行数据解析，得到钢种代码的混浇关系参数；根据历史排产数据对中间包寿命进行数据解析，得到中间包最大浇铸炉数；其中，所述钢种代码的成分数据即指钢种代码所表示钢种的成分数据；步骤2、获取中厚板厂所有待排产的计划铸坯，对计划铸坯进行组距统计；步骤3、获取步骤2所生成的坯料组集合，对同组内铸坯重量之和小于一炉钢水重量的坯料组分别按照物理属性及管理属性进行计划铸坯合炉，具体如下：步骤3
‑
1、构建一个稀疏矩阵K，用来表征步骤2所生成的坯料组集合的数据分布情况，令矩阵的行代表坯料组的物理属性，列代表坯料组的管理属性；步骤3
‑
2、将坯料组集合按照铸机、断面尺寸、钢种类别、牌号、钢种代码五种物理属性的排列顺序依次进行行分组，然后按照交期、铸坯去向、冷热送状态三种管理属性的排列顺序依次进行列分组；步骤3
‑
3、根据矩阵行、列字段的名称确定每一个坯料组在矩阵上的位置；步骤3
‑
4、基于稀疏矩阵数据的排列，对每一断面进行独立的合炉操作；具体如下：步骤3
‑4‑
1、分别对稀疏矩阵的同一钢种代码行、同一交期列下不同铸坯去向、冷热送状态的所有坯料组进行合炉操作；具体如下：步骤3
‑4‑1‑
1、将满足步骤3
‑4‑
1属性的坯料组按位置顺序放入空集合中，如果集合内坯料组的个数大于1，对该集合按照坯料组的余材重量值进行升序排序，然后执行步骤3
‑4‑1‑
2，否则，结束该集合的合炉操作，转步骤3
‑4‑
2；步骤3
‑4‑1‑
2、判断排名最后坯料组的余材重量是否足够转炉容量的三分之二，若满足上述约束，执行步骤3
‑4‑1‑
3，否则，结束该集合的合炉操作，转步骤3
‑4‑
2；步骤3
‑4‑1‑
3、设被合炉的坯料组索引为0；步骤3
‑4‑1‑
4、将集合的最后一个坯料组与被合炉坯料组进行合炉，如果二者合炉后能够降低余材的生成量，则视为合炉成功，此时更新原有的坯料组集合，若集合中坯料组的个数大于1，继续重复步骤3
‑4‑1‑
2，否则，结束该集合的合炉操作，转步骤3
‑4‑
2；如果合炉不成功，使被合炉坯料组的索引加1，重复执行步骤3
‑4‑1‑
4；步骤3
‑4‑
2、分别对稀疏矩阵的同一钢种代码行、不同交期列下的所有坯料组进行合炉操作，该操作同步骤3
‑4‑
1相同，其中，结束该集合的合炉操作后转步骤3
‑4‑
3；步骤3
‑4‑
3、分别对不同钢种代码行、同一交期列下的所有坯料组进行合炉操作，该操作同步骤3
‑4‑
1相同，其中，结束该集合的合炉操作后转步骤4；步骤4、完成步骤3
‑
4的合炉操作后，将稀疏矩阵每个位置上具有相同物理属性和管理属性的坯料组称为Castlot，每一个Castlot为具有相同属性的炉次集合，将所有的Castlot作为输入数据，通过采用一种分组排序策略，获得最终的Castlot拼包方案；步骤5、采用构建数学模型的方式描述批次排产过程，并设计基于批次优先级的排产策略进行求解；具体如下：步骤5
‑
1、设定整数决策变量x
bct
，表示批次b是否在铸机c的时间槽t内生产，每一个批次都是一个中间包，每一个时间槽表示一天，其中b∈B，B为批次集合，c∈C，C为铸机集合，t
∈T，T为时间槽集合；步骤5
‑
2、将批次排产过程中包括批次分配限制、连铸时间限制、RH设备产能限制及铸坯库存限制的车间工艺约束，映射为数学模型约束条件，具体如下：步骤5
‑2‑
1、建立批次在连铸设备上的分配约束，即对任意一个批次b，都要在某铸机的某时间槽内生产；具体公式如下：步骤5
‑2‑
2、建立连铸设备上时间槽的容量约束，即对任一连铸设备上c的时间槽t，最多能容纳一个批次生产；具体公式如下：步骤5
‑2‑
3、建立在清冷钢作业要求下所对应的RH设备产能约束，即对任一时间槽t所需要精炼的总量必须在RH设备的产能范围内；需要精炼的总量必须在RH设备的产能范围内；其中，为批次b需要精炼的重量；P
RH
为RH设备每天的标准产能；表示不足RH设备每天产能的精炼重量，表示超出RH设备每天产能的精炼重量；ε为RH设备每天产能波动的偏差系数，且0<ε<1；步骤5
‑2‑
4、建立铸坯的库存平衡约束，即对于任一轧制车间r在时间槽t的库存量I
rt
等于轧制车间r在时间槽t
‑
1的剩余库存量I
r(t
‑
1)
加上时间槽t内由所有连铸设备流入轧制车间r的产量减去轧制车间r在时间槽t的产能P
rt
；具体公式如下：其中，w
br
为批次b流向轧制车间r的重量；步骤5
‑2‑
5、建立铸坯的安全库存约束，即对于任一轧制车间r在时间槽t内的库存量都要在安全范围内，具体公式如下：要在安全范围内，具体公式如下：其中，表示标准安全库存；表示轧制车间r在时间槽t内不足安全库存的库存量，表示轧制车间r在时间槽t内超出安全库存的库存量；δ为铸坯安全库存波动的偏差系数，且0<δ<1；步骤5
‑2‑
6、将批次排产过程中优化的工艺指标映射为数学模型的目标函数，实现最小化拖期费用、最小化所有时间槽需要精炼的批次重量同RH设备产能的偏差、最小化所有轧制车间所有时间槽内的库存量同安全库存的偏差；具体公式如下：
其中，α为拖期单位时间惩罚费用，β为偏离安全库存单位惩罚费用，γ偏离RH炉产能的单位惩罚费用，Due
b
表示批次b的交期；步骤5
‑
3、对批次排产问题，设计基于批次优先级的排产策略进行求解，具体如下：步骤5
‑3‑
1、首先按照中间包分组条件内的铸机、断面属性确定每一个中间包的所在铸机及断面；步骤5
‑3‑
2、根据中间包分组条件内的交期及交货状态两个属性设置中间包排产的顺序优先级；步骤5
‑3‑
3、按照顺序优先级对中间包进行排产，形成一个初排产计划后根据RH设备的产能调整需要精炼的中间包顺序；步骤6、基于步骤5所生成的初排产计划进行混浇段划分；步骤7、基于当前排产计划，对中、厚板轧制车间的铸坯库存趋势进行测算；步骤8、基于当前的排产计划，对合金消耗进行测算。2.根据权利要求1所述的一种面向中厚板产线的炼钢生产数据解析与优化排程方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤1
‑
1、构建一种实数矩阵，用来表征任意两个钢种代码之间的混浇关系，具体如下：步骤1
‑1‑
1、构建实数矩阵F，该矩阵行列的维数均为全部钢种代码数，矩阵中的数据为任意两个钢种代码i与j在中间包内发生混浇时所产生的混浇费用F
ij
；步骤1
‑1‑
2、基于钢种代码的成分数据及历史排产数据对混浇费用进行解析，具体如下：步骤1
‑1‑2‑
1、根据钢种代码的成分数据表，构建成分数据矩阵X，数据矩阵的行表示钢种代码，列表示钢种代码的成分数据，每个钢种代码的成分数据包括该钢种所含杂质、微合金元素及其含量；所述杂质及微合金元素包括碳、锰、硅、磷、硫、铌、铬、钛、硼、钒、镍、铜、钼、锑；定义成分数据X
ie
为钢种代码i所包含元素e的含量；步骤1
‑1‑2‑
2、对钢种代码的各个成分数据X
ie
进行标准化变换，得到服从标准正态分布的数据；标准化公式如下：其中其中，X
′
ie
为X
ie
对应的标准化数据；N为钢种代码库中所有的钢种代码，|N|表示所有钢种代码的个数；步骤1
‑1‑2‑
3、利用层次聚类法对钢种代码进行聚类操作，得到最终的钢种代码聚类树状关系；其中，按照Ward离差平方和的方法，计算标号分别为μ、ν的钢种代码聚类之间的距离D
μv
；具体公式如下：其中，与分别为第μ与第v个钢种代码聚类的重心；N
μ
与N
ν
分别为第μ与第v个钢种代码聚类中包含的钢种代码；|N
μ
|与|N
ν
|分别为第μ与第v个钢种代码聚类中包含钢种代码的个数；
步骤1
‑1‑2‑
4、统计历史排产数据中钢种代码间的混浇关系，并按照混浇次数从大到小的顺序排列后放入混浇关系集合中；一个混浇关系信息包括一对混浇钢种在历史排产数据中发生的混浇次数；步骤1
‑1‑2‑
5、从混浇关系集合中提取混浇次数向量σ＝(σ1,σ2,
…
,σ
L
)，计算混浇次数向量的平均混浇次数具体公式如下：其中，L为向量σ的长度；σ
l
为向量σ中的非负整数分量，且1≤l≤L；步骤1
‑1‑2‑
6、标记最大混浇次数为σ
max
，以平均混浇次数为分界值，从混浇关系集合中依次选取混浇次数能满足时所对应的混浇钢种，并将其放入混浇钢种向量中；步骤1
‑1‑2‑
7、对于步骤1
‑1‑2‑
6获得的混浇钢种向量，以遍历的方式从第一对混浇钢种出发，用混浇钢种所对应的两个钢种代码分别对聚类树状关系进行划分，并计算该种划分方式下的相邻聚类间距之和，用D
Total
表示；具体的划分方式为：对步骤1
‑1‑2‑
3所获得的聚类树状关系，从根部开始向下找到两个钢种代码恰好同属一类的层级，以该层级作为划分界限，得到不同的聚类；将所划分的聚类按聚类树状关系上的位置顺序存入聚类向量Ψ中，则D
Total
的计算公式如下：其中，|Ψ|为所划分出的聚类个数；μ∈{1,2,
…
,|Ψ|
‑
1}，ν∈{2,
…
,|Ψ|}；步骤1
‑1‑2‑
8、比较不同划分方式下的相邻聚类间距之和D
Total
，选取最大相邻聚类间距之和对应的聚类为最终的划分结果；步骤1
‑1‑2‑
9、根据划分好的聚类确定钢种代码间的混浇费用；其中，每一个聚类对应一个钢种类别；对于同一钢种类别的钢种代码i和j，其混浇费用的计算公式为：F
ij
＝λd
ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)对于不同钢种类别的钢种代码i和j，其混浇费用的计算公式为：F<...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐立新，汪恭书，董小琳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：