陳先利 于銀俊 胡濤 郭永謙 賈秀嶺 王永挺

摘 要：對于大型長流程鋼鐵企業(yè)來說，在生產(chǎn)過程中，速度和時間就是效益。高爐、轉(zhuǎn)爐是鋼鐵企業(yè)的核心工序，精細(xì)、高效地銜接高爐與轉(zhuǎn)爐兩大工序是提升企業(yè)生產(chǎn)組織能力的重要途徑，也是實現(xiàn)高效化生產(chǎn)的關(guān)鍵。安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司基于集約化理論全方位科學(xué)優(yōu)化鐵鋼界面生產(chǎn)組織，通過實行“一罐到底”、加強鐵水罐管理、改變鐵水罐運輸模式、電爐定爐定罐制、廢鋼結(jié)構(gòu)“私人定制”、轉(zhuǎn)爐和電爐生產(chǎn)組織創(chuàng)新、冷軋集中一貫制等措施，以大數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度模型為支撐，提高鐵水罐周轉(zhuǎn)速率，降低鐵水周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的溫度損失，提高鐵水的入爐溫度，優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)，縮短煉鋼冶煉周期，實現(xiàn)了企業(yè)高效化生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：鋼鐵;速度;時間;界面;優(yōu)化;效益

中圖分類號：F426.31;F224文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

對于鋼鐵企業(yè)而言，高爐煉鐵是核心生產(chǎn)工序的源頭，是鋼鐵企業(yè)能否高效運營的根本環(huán)節(jié)，而轉(zhuǎn)爐煉鋼工序是生產(chǎn)流程中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。兩者既獨立運行、各有特點，又彼此聯(lián)系、休戚與共。如何精細(xì)、高效地銜接高爐與轉(zhuǎn)爐兩大工序一直是鋼鐵企業(yè)提升生產(chǎn)組織能力的重要研究課題，也是實現(xiàn)高效化生產(chǎn)的關(guān)鍵。實現(xiàn)兩大工序的平穩(wěn)高效銜接，避免鐵鋼不平衡的矛盾對現(xiàn)有產(chǎn)能的發(fā)揮造成影響和制約，對生產(chǎn)組織、流程再造、工序聯(lián)動提出了更高要求。因此，將兩大工序結(jié)合起來作為一個整體，對鐵鋼流程進行綜合性的管控能力提升，不僅能為高爐穩(wěn)定順行提供有力的支撐，也能為轉(zhuǎn)爐低成本高效率的煉鋼創(chuàng)造良好條件，最終實現(xiàn)企業(yè)精益化、高效化、高質(zhì)量化發(fā)展。

集約化理論是指充分利用一切資源，集中合理地運用現(xiàn)代管理和技術(shù)，充分發(fā)揮既有人力資源的效應(yīng)，提高工作效率，實現(xiàn)整體效益。本文基于集約化理論，突出生產(chǎn)組織中的“速度”和“時間”，運用現(xiàn)代管理和技術(shù)，優(yōu)化鐵鋼界面生產(chǎn)組織，采取科學(xué)措施，關(guān)鍵指標(biāo)取得突破，達到了良好的效果。具體生產(chǎn)組織優(yōu)化與實踐如下。

1 實行“一罐到底”

鐵水罐從高爐爐下盛裝鐵水至煉鋼廠直接進入轉(zhuǎn)爐兌鐵，其間不再進行折鐵、分兌等流程，簡化生產(chǎn)工序，降低鐵水溫?fù)p，保證轉(zhuǎn)爐在大廢鋼比的冶煉模式下具有良好的熱平衡條件[1]。

1.1 轉(zhuǎn)爐兌入鐵水溫度提高

從表1、表2可以看出，平均每罐鐵水入爐前提高31 ℃，如果按減少1 ℃鐵水溫降，轉(zhuǎn)爐噸鋼能耗成本節(jié)約0.35元計算[2]，一煉軋每罐鐵節(jié)約煉鋼成本約1 000元，二煉軋每罐鐵節(jié)約煉鋼成本約1 550元。照此計算，公司全年節(jié)約煉鋼能耗成本約8 000萬元。

1.2 轉(zhuǎn)爐廢鋼比增高

由于入爐溫度的提高保證了100 t、150 t轉(zhuǎn)爐大廢鋼比冶煉模式的熱平衡條件，加上廢鋼斗改造后，有條件實施節(jié)鐵增鋼，如表3所示，公司一天增鋼約1 000 t鐵水，噸鋼增效按300元計算，一年公司增效約1億元。

1.3 構(gòu)建鐵水罐排隊模型

本研究采用排隊論[3]對轉(zhuǎn)爐前的鐵水罐組織模式進行分析，建立了兩種排隊數(shù)學(xué)模型。當(dāng)前，國內(nèi)轉(zhuǎn)爐煉鋼前準(zhǔn)備的鐵水罐或鐵水包大都采用供需平衡算法[4]，或者依據(jù)煉鋼節(jié)奏推導(dǎo)出鐵水罐或鐵水包需要的數(shù)量及相關(guān)時間，鐵水罐或鐵水包數(shù)量基本都處于富裕狀態(tài)，等待時間過長，不能滿足高效化生產(chǎn)的需求。鐵水罐的等待過程實質(zhì)就是排隊問題。筆者立足于現(xiàn)狀，提出基于排隊理論構(gòu)建鐵鋼界面中鐵水罐的生產(chǎn)組織模型，確定鐵水罐等待兌鐵時的運行組織模式，為煉鋼高效化生產(chǎn)提供支撐。

安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司（簡稱安鋼）鐵鋼界面中，煉鋼與煉鐵是通過鐵水罐銜接的，鐵水罐周轉(zhuǎn)過程如圖1所示。可以看出，對于轉(zhuǎn)爐兌鐵環(huán)節(jié)，每個鐵水罐的狀態(tài)都可以看作顧客（鐵水罐）相繼到達服務(wù)臺（轉(zhuǎn)爐）排隊等待接受（兌鐵）服務(wù)，并在完成任務(wù)之后離開。安鋼第二煉軋廠有三座150 t轉(zhuǎn)爐，故其排隊模型有兩種模式，鐵水罐單隊三個轉(zhuǎn)爐兌鐵排隊模型、鐵水罐三個隊三個轉(zhuǎn)爐兌鐵排隊模型，即M/M/1//排隊模型和M/M/3//排隊模型。

假設(shè)鐵水罐的到達時間服從泊松分布，鐵水罐服務(wù)時間服從負(fù)指數(shù)分布，通過建模計算數(shù)學(xué)指標(biāo)，如表4所示。

由表4可知，第二種組織模式鐵水罐共享三臺轉(zhuǎn)爐的效率最高。此模型被選擇應(yīng)用于實際生產(chǎn)，結(jié)果表明，其大大提高了生產(chǎn)效率，為煉鋼生產(chǎn)組織高效化奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 加強鐵水罐運行管理

2.1 鐵水罐擴容改造

安鋼目前使用的是170 t鐵水罐，為滿足第二煉軋150 t轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)下一罐鐵兌一爐的生產(chǎn)需求，將鐵水罐進行升級擴容，如表5所示，每個罐至少增加10 t，鐵水罐維護費用減少。第二煉軋廠日耗鐵約17 500 t，日減少鐵水罐周轉(zhuǎn)9次，鐵水罐維護采用外包制，按0.8元/t鐵計算[5]，一年節(jié)約38萬元。運行罐數(shù)減少，改造后運行罐數(shù)降至6.5個罐，1個鐵水罐成本按約100萬計算，一年節(jié)約650萬元。

2.2 多措并舉，延長鐵水罐的使用壽命

安鋼通過優(yōu)化內(nèi)襯材質(zhì)、完善永久層設(shè)計、改進砌筑工藝、加強日常運行監(jiān)測和管理[6]，延長鐵水罐的使用壽命，由400次延長至至少550次，支撐擴容后一罐到底的執(zhí)行率。

3 火車運輸模式的優(yōu)化

鐵水罐運輸全部使用火車方式。高爐生產(chǎn)是連續(xù)不間斷的全天候作業(yè)，高爐爐體容積是有限的，必須及時出鐵，這就要求空罐車及時配到，順利將鐵水運出出鐵場;轉(zhuǎn)爐煉鋼是周期性間歇生產(chǎn)，為保證煉鋼連鑄工藝流程不中斷，鐵水的供應(yīng)應(yīng)與轉(zhuǎn)爐煉鋼的周期相協(xié)調(diào)[7]。因此，鐵水運輸應(yīng)在高爐和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中找到一個合適的運輸節(jié)奏，在節(jié)能的同時，保證“高爐—轉(zhuǎn)爐”這一生產(chǎn)過程的高效、連續(xù)[8]。制約鐵水溫降的還有一個關(guān)鍵因素，即鐵鋼計劃不匹配，鐵水在運輸途中等待時間過長，溫降較大。為解決這個問題，依據(jù)生產(chǎn)計劃，改變傳統(tǒng)“以鐵定鋼”模式，實施“以鋼定鐵”[9]，靈活采取多種運輸模式，建立“分次調(diào)鐵”“四罐一送”“極限罐數(shù)”等多種運輸模式。

鐵水緊張時，實施“分次調(diào)鐵”，即核心是在“一罐到底”的前提下，通過優(yōu)化運輸路線、合理使用機車數(shù)量，將高爐單次鐵水運輸通過2～3次運至轉(zhuǎn)爐，保證鐵水快速運輸、快速周轉(zhuǎn)，降低鐵水在途中的溫降;個別轉(zhuǎn)爐事故或檢修時，鐵水相對富裕，150 t轉(zhuǎn)爐實行“四罐一送”制，機車有效利用效率得到提升，日運鐵次數(shù)由40次降至低于30次，節(jié)約了機車的運行費用;秋冬季環(huán)保管控期間，高爐減量生產(chǎn)，采用“極限罐數(shù)”運行，嚴(yán)格控制上線鐵水罐數(shù)，及時下線富裕鐵水罐，提高在線機車運輸組織水平，減少運輸作業(yè)干擾現(xiàn)象[10]，高爐、轉(zhuǎn)爐、運輸部門三者高效聯(lián)動，集中化管控，提高單個鐵水罐利用系數(shù)，將其由2.5提至大于3.5，不但為機車的年度維護、鐵水罐的大修創(chuàng)造條件，而且減少了鐵水罐的溫度損失，效益非?？捎^。

4 一座100 t電爐執(zhí)行定爐定罐制，實施“一罐鐵、一籃料”工藝，“優(yōu)”出時間

電爐生產(chǎn)中有兩個疑難問題：其一，兌鐵中經(jīng)常鐵水溜槽堵，經(jīng)分析，原因是鐵水罐耐材漂，爐前工處理時間過長;其二，鐵水罐經(jīng)常結(jié)殼，因執(zhí)行一罐到底，混鐵爐已取消，故鐵水罐一旦結(jié)殼就需要退回，重新?lián)Q其他罐，嚴(yán)重影響了電爐的生產(chǎn)節(jié)奏。為應(yīng)對以上問題，安鋼制定以下措施。

一是電爐使用鐵水固定一個高爐出鐵;采取專用鐵水罐措施，電爐罐專罐專用;高爐打開口出鐵首尾罐不能用于電爐專用罐。實行定罐（專用罐）出鐵，不僅保證了鐵水成分的穩(wěn)定性，還減少了鐵水溜槽堵的問題。

二是廠內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐、電爐廢鋼分類存放，有效提高裝料效率。

三是優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)，對加料籃堆密度進行攻關(guān)，采購方實行“私人定制”，使用方采取“按方抓藥”方式，固化廢鋼料型，提高破碎料比例，減少廢鋼在料籃的占比空間，增加堆比重。然后，制定電爐一罐鐵一籃料配料定制方案，如表6所示。通過實踐，將不同廢鋼種類合理搭配，既經(jīng)濟又能提高堆密度，實現(xiàn)一籃廢鋼65 t，且裝入電爐減少壓料，壓縮電爐冶煉周期至少10 min。

四是電爐爐齡攻關(guān)。自2017年復(fù)產(chǎn)以來，電爐一次性爐齡一直徘徊在450～500爐，使用周期為20～25 d，最高爐齡為521爐，提高爐齡成為降成本、高效化的重點攻關(guān)課題之一。在每一次爐殼下線拆爐時，在現(xiàn)場根據(jù)爐襯斷面，分析爐底、爐壁各部位的受損情況，做好記錄，通過對電爐耐材侵蝕機理的分析，結(jié)合冶煉工藝的現(xiàn)狀，不斷優(yōu)化冶煉操作工藝。每次新爐殼上線，嚴(yán)格執(zhí)行烘爐曲線，并對冶煉渣系控制進行工藝優(yōu)化。在冶煉過程中，嚴(yán)格控制終點碳，防止過氧化鋼水對爐襯的過度侵蝕，通過噴入碳粉解決鋼水氧化性問題。最終，8月27日電爐爐齡突破600爐，安全下線，創(chuàng)造了2017年電爐復(fù)產(chǎn)以來610爐的歷史最好水平。

采取以上措施后，電爐冶煉的效率迅速提升，單爐冶煉周期從近50 min縮短至33 min，日產(chǎn)量也從“一罐鐵、一籃料”工藝實施前的24爐增加到37爐，如圖2所示;噸鋼成本降低25元，即每爐鋼可降低成本2 600余元，100 t電爐在短時間內(nèi)實現(xiàn)了產(chǎn)量、效益雙提升。

5 三座150 t轉(zhuǎn)爐充分挖掘管理、設(shè)備、技術(shù)，從每道生產(chǎn)工序間尋找突破點，分秒必爭，“節(jié)”出速度

按“秒”協(xié)同，制定《轉(zhuǎn)爐高效化生產(chǎn)“秒”方案》，量化操作行為，精確到“秒”。減少天車運輸物料時間，從操作理念和方法上探索出“兩到位、兩不調(diào)、兩合適”操作法，即廢鋼天車、鐵水天車提前快速到位，主鉤、副鉤高度不用調(diào)，距離爐口、罐（包）位置合適，有效提高了天車操作精準(zhǔn)度和運行效率，每爐鋼裝卸時間節(jié)約2 min。

采用更加靈活的“調(diào)度-生產(chǎn)指揮中樞系統(tǒng)”，以混鐵爐區(qū)域和煉鋼區(qū)域為主要陣地，將調(diào)度系統(tǒng)前移至煉鋼平臺現(xiàn)場，電氣、機械、天車等生產(chǎn)專業(yè)技術(shù)人員24 h跟班蹲點，確保工序密切銜接，加快冶煉節(jié)奏。遇到問題，要靠前指揮，直接壓縮溝通環(huán)節(jié)，提高信息傳遞效率，各工序節(jié)奏不斷加快。

氧槍吹煉過程中，吹氧強度由3.4提高至4.0，每爐鋼節(jié)約1.5 min;改進出鋼口材質(zhì)，將其壽命由200爐提高至400爐，縮短周期內(nèi)更換時間，每周可多出2爐鋼水;精煉造渣工藝前移，出鋼過程中添加渣洗料，提高鋼水質(zhì)量，節(jié)約冶煉時間4～5 min。

構(gòu)建冶煉工藝時長模型（見表7），嚴(yán)格執(zhí)行不等鐵、不等廢鋼、不等渣罐、不等鋼包、不等成分的轉(zhuǎn)爐“五不等”管控原則。具體措施有：上料過程中，專人負(fù)責(zé)加料跨指揮協(xié)調(diào)天車作業(yè)，加料跨天車緊密高效分布，實現(xiàn)上料快速移動及作業(yè);吹煉過程中嚴(yán)格按照規(guī)程操作，提高控制水平，加強石灰等原材料質(zhì)量監(jiān)督檢查，早化渣、化好渣，控制好終渣，終點溫度大于1 630 ℃，不倒?fàn)t出鋼;出鋼作業(yè)前確保鋼包到位，用氮氣打渣或加抑制劑出鋼，倒渣前確保渣罐到位，可倒出部分渣再濺渣，縮短濺渣護爐時間，實現(xiàn)濺渣操作的精益化。

2017年5月以來，三座150 t轉(zhuǎn)爐連續(xù)創(chuàng)造破產(chǎn)記錄，如圖3所示，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。

6 一座100 t轉(zhuǎn)爐探索創(chuàng)新，多次試驗調(diào)整，“搶”出節(jié)奏

安鋼根據(jù)自身爐料結(jié)構(gòu)情況，探索創(chuàng)新，多次試驗調(diào)整，總結(jié)出適合爐容、爐型的標(biāo)準(zhǔn)，供氧強度由3.2提升至3.7，每爐鋼搶出3 min;改造爐前取樣槍，實現(xiàn)測溫取樣同時進行，搶出2 min;擴大出鋼口直徑，加快出鋼速度，搶出1 min;創(chuàng)新冶煉操作方法，靈活應(yīng)用少渣、留渣、雙渣法等冶煉技巧，不斷優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝路線，冶煉一爐鋼的耗時由33 min縮短至26.6 min。

經(jīng)過創(chuàng)新與實踐，日產(chǎn)最高突破45爐，較以往日平均增加8爐。

7 實行冷軋集中一貫制

集中一貫制就是對各工序、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的新型管理體制，管理者站在鋼鐵生產(chǎn)工藝流程的大局上理順各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，協(xié)調(diào)處理各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的矛盾，使生產(chǎn)能力和效率得到極大的解放和發(fā)展[11]。建立冷軋集中一貫制領(lǐng)導(dǎo)小組，組建生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量、環(huán)保等9個專題工作組，制定出臺《冷軋集中一貫制管理方案》，強化工序服從、專業(yè)協(xié)同，堅持工藝先行、設(shè)備跟進，全面梳理問題，明確工藝要求、改進措施和時間節(jié)點，加強學(xué)習(xí)對標(biāo)和內(nèi)外銜接合作，快速打通“煉鋼—熱煉軋—冷軋”工藝銜接，盡快實現(xiàn)冷軋產(chǎn)品定位高端的目標(biāo)。自2017年8月以來，連續(xù)3個月實現(xiàn)盈利，特別是10月份，產(chǎn)量挺近10萬t關(guān)口，實現(xiàn)冷軋投產(chǎn)以來首月達產(chǎn)。其中，連退機組產(chǎn)量超7萬t，超出設(shè)計能力16.6%;“家電板、汽車鋼、特種鋼、量具鋼”四大重點品種產(chǎn)量突破2萬t，同比增加92%;薄規(guī)格產(chǎn)量達到2.8萬t，同比增長288%，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，也為公司轉(zhuǎn)型發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展提供了強力支撐。

8 建立廠外廢鋼基地，保障煉鋼原料供應(yīng)穩(wěn)定

一是廢鋼科學(xué)分類，建立等級標(biāo)準(zhǔn)。鑒于不同品種的廢鋼對冶煉時間、能耗、合金、鋼水質(zhì)量、碳排放的對應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系，建立廢鋼配置控制體系，指導(dǎo)廢鋼的科學(xué)應(yīng)用。二是構(gòu)建新型的專業(yè)化廢鋼配送體系，實現(xiàn)“大批量采購、集中加工、統(tǒng)一配送”。這種新型的體制有利于應(yīng)用廢鋼加工新工藝和新設(shè)備，利于廢鋼的分類和凈化處理，提高廢鋼品種和質(zhì)量，實現(xiàn)精料入爐;有利于有毒有害物的監(jiān)控和處理，集中防治環(huán)境二次污染;有利于縮短冶煉時間，減少能耗，降低成本;有利于穩(wěn)定廢鋼供應(yīng)渠道，保障供應(yīng)。

9 構(gòu)建全方位數(shù)字動態(tài)調(diào)度模型，優(yōu)化生產(chǎn)制造流程

大力推進數(shù)據(jù)歸檔建設(shè)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的理論和方法，運用現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)，構(gòu)建多種數(shù)據(jù)模型，建立鐵鋼動態(tài)平衡模型、煉鋼事故狀態(tài)下的生產(chǎn)組織模型及預(yù)案、系統(tǒng)高效化生產(chǎn)平衡模型、鐵水動態(tài)物流-鐵水罐追蹤物流系統(tǒng)、電爐專用罐周轉(zhuǎn)模型、不同鐵比的轉(zhuǎn)爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化冶煉模型、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)事故處理模型、能源介質(zhì)的實時動態(tài)調(diào)度模型，基于大數(shù)據(jù)實現(xiàn)鐵素流、能源流的“五化”（可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、可追溯化、動態(tài)優(yōu)化），為高效化生產(chǎn)提供理論支撐。

10 結(jié)語

本研究基于集約化理論，通過多途徑多視角優(yōu)化鐵鋼界面生產(chǎn)組織模式，提高鐵水罐周轉(zhuǎn)速率，降低鐵水周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的溫度損失，提高鐵水的入爐溫度，優(yōu)化廢鋼結(jié)構(gòu)，縮短煉鋼冶煉周期，實行冷軋集中一貫制，實現(xiàn)了企業(yè)高效化生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，在同類型企業(yè)中具有重要的借鑒意義。

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