关于薄板坯连铸连轧流程的工程分析

1、关于薄板坯连铸连轧流程的工程分析殷瑞钰(钢铁研究总院)摘要从薄板坯连铸-连轧流程的系统层次上讨论了其优化原则和方向。对时间在流程中的表现形式及其内涵进行了系统解析，提出了时间点、时间序、时间域、时间位和时间节奏等概念及其内涵。指出在钢厂生产流程中，时间是一个重要因素且具有既是随机自变量又是目标函数的两重性。时间因素对薄板坯连铸-连轧流程的节律性、协同性而言，其意义尤为重要。本文还讨论了薄板坯连铸-连轧流程的运行特征和整体优化问题。关键词薄板坯连铸连轧工程分析THE ENGINEERING ANALYSIS OF THIN SLAB CONTINUOUS CASTING AND ROLLING

2、PROCESSYIN Ruiyu(Central Iron & Steel Research Institute)ABSTRACTThis paper has summarized the optimization principles and direction of the thin slab continuous casting and rolling system.The time's expression form and its connotation in steel manufacturing route have been analyzed.Some conc

3、epts,such as time point,time sequence,time domain,time position and time rhythm have been put forward.The paper points out that time in steel manufacturing process is an important factor with dual nature.Time is not only a random independent variable but also an objective function.It is of great imp

4、ortance to rhythm and coordination of the thin slab continuous casting and rolling process.Finally,the running nature and integrated optimization of the thin slab continuous casting and rolling system is disscussed.KEY WORDSthin slab,continuous casting and rolling,engineering analysis1前言生产现象的观察仍然是技术

5、发展的始点，这是辩证唯物主义的原则。但是，仅仅抓住现象、孤立地解释现象，而失去对本质的认识，失去对系统的因果分析，只能是因循守旧，很难有新的创造。从现象/单元出发升华到原理/系统的意义则是巨大的。因而，就工程技术的发展思路而言，应从解决现象型的工程技术，提高到分析现象产生的原理型的工程科学。在现实生产中，我们遇到了若干在技术上多少有些矛盾的问题，而解决这类矛盾的方法往往是以经济来判断，并进行相应的技术选择的。这样，有时也会出现为了满足一时的经济效益而没有完全符合原理准则的现象，这当然不够完美，人们应以解决这一矛盾为出发点，定位未来的技术进步命题方向。2薄板坯连铸连轧流程优化的工程实质随着全连铸

6、生产体制的实现和薄板坯连铸-连轧工艺的成功工业化，其实质是以化学冶金过程和物理冶金过程之间的“紧凑化”为特征的钢厂生产流程准连续化和“在线”协同化。这意味着生产过程的各工序必须紧密衔接、匹配并具有节律性，必须协同地“在线”/“离线”。在其生产过程中将物态转变、物性控制和物流管制协同地组合起来1。这就是要在化学冶金过程优化调控和物理冶金过程优化调控的基础上，进一步通过金属物流量-过程温度-时间这些基本参数的组合调控，实现全流程的准连续化和“在线”/“离线”协同化。显然，流程中每一个工序都应该是优化的，它们相互作用的结果又使得我们必须研究其相互关系。由此构筑起以薄板坯连铸-连轧流程为代表的“紧凑型

7、”钢厂流程优化的工程基础。2.1“紧凑型”钢厂流程总的优化方向(1) 建立以合理地、临界地降低压缩比为主要标志的流程“紧凑化”；(2) 产品专业化、系列化，甚至以热轧超薄板与同规格的冷轧薄板相竞争；(3) 各工序/装备在作业时间上的“在线”/“离线”控制协同化；(4) 生产、管理、经营系统的信息集成。具体到钢厂的制造过程优化原则，则应从以下几个方面予以确定。2.2化学冶金过程优化的原则基本出发点：(1) 确保连铸机的连浇周期(涉及产量、成本、效率)；(2) 生产高温无缺陷铸坯(涉及质量、成本)；(3) 铸坯断面、钢种与轧机需要(市场销售)在时间上一致(涉及市场、效益)。工序协调原则：(1) 各

8、工序的工艺过程时间的优化及其时钟推进的优化；(2) 各工序间输送/等待时间的优化、协调和最小化；(3) 连铸中间包内钢水过热度的优化及由此反推二次冶金、炼钢炉离站钢水温度的优化范围；(4) 各工序的合理温度范围及其递次收敛性(图1)；(5) 工序间物流量温度时间(时钟)协调推进；(6) 约束边界条件下的静态优化(收敛)和实际运作条件下的动态调控(发散收敛)的结合。表述方式：工序间操作时间合理调控原则：tEFtCC，tLFtEFtCC式中tEF电炉的作业时间/min；   tCC连铸机的作业时间/min；   tLF钢包精炼炉的作业时间/min。工序操作时间合理波动范围：式中

9、连铸机工艺操作时间的合理波动范围/min；  电炉工艺操作时间的合理波动范围/min；  钢包精炼炉工艺操作时间的合理波动范围/min。  工序间等待时间范围：式中连铸机允许等待电 炉、钢包精炼炉的合理时间范围/min；  钢包精炼炉允许等待电炉、连铸机的合理时间范围/min；  电炉允许等待钢包精炼炉、连铸机的合理时间范围/min。  流程中各工序的等待时间最小原则：  中间包钢水过热度：钢液液相线以上1020 工序离站目标温度波动范围的约束：式中离开电炉工序时钢液的目标温度范围/；  离开钢包精炼炉工序时钢液的

10、目标温度范围/。工序目标温度波动值的递次收敛原则：式中TCC连铸机中间罐内钢液的 目 标 温度范围/。工序间的流量协调原则：QEF=QLF=QCC式中QEF电炉每分钟的平均出钢量/t*min-1；    QLF钢包精炼炉每分钟的平均出钢量/t*min-1；    QCC连铸机每分钟的平均出坯量/t*min-1。温度时间的相互关系：Tf(tw，Q，R)tf(T，R)式中T工序间钢水温降/；  tW工序间等待/传搁时间/min；  t工序间输送、传搁、等待时间/min；  Q钢包容量/t；  R其它相关因素。2.3物理

11、冶金过程优化原则基本出发点：有利于销售效益的产品大纲优化(涉及市场占有经济效益技术优化的结合)。工序协调原则：(1) 合理压缩比的确定以及可能的“最小化”；(2) 一火成材原则；(3) 充分利用铸坯自身热量以及由再加热得到的热量；(4) 形变与相变的结合(涉及轧件的控温轧制与控制冷却)；(5) 轧机系统的“紧凑化”原则以及“临界参数”(如：铸坯/轧件尺寸、机架数、产品尺寸范围等)的选择(见图22)；(6) 工序间秒流量温度时间的平衡连续/缓冲协调；(7) 形状尺寸控制与表面质量控制；(8) 为后续表面处理的优化创造条件。图 1炼钢过程温度“收敛性”分析Fig.1Temperature conv

12、ergence analysis insteelmaking process表述方式：工序间流量协调原则：n*QCCn*QrhQro式中QCC连铸机每分钟平均出坯量/t*min-1；n2(或1)；  Qrh加(补)热装置每分钟平均出坯量/t*min-1；n2(或1)；图 2热连轧机架数和铸坯进热轧机前厚度对热轧卷可达最小厚度的影响Fig.2Effect of hot strip mill stand numbers and slab thickness before entering the mill on minimum coil gaugeQro轧机系统每分钟平均轧制量/t*mi

13、n-1。过程时间最小化原则：tccrh+trh+trhro+troMin式中tccrh铸坯切割后到进入加(补)热装置的输送时间/min；  trh铸坯在加(补)热装置内停留的时间/min；  trhro铸坯出加(补)热装置到进入轧机的输送时间/min；  tro铸坯在轧机系统中加工的时间/min。能源消耗最小原则：Tccrh+Trh+TrhroMin式中铸坯切割后到进入加(补)热装置的温降/；  Trh铸坯在加(补)热装置内的温升/；  铸坯出加(补)热装置到进入轧机的温降/；工序间等待时间范围：式中轧钢机等待加(补)热装置供坯的合理时间范围/

14、min；  加(补)热装置等待铸机供坯的合理时间范围/min。2.4化学冶金过程物理冶金过程的衔接、匹配原则(1) 温度时间衔接的“紧凑化”(涉及物流、物态、物性、成本)。(2) 流程中生产体物流量衰减的“最小化”或“离线”物流量的“最小化”(涉及效率、成本)。(3) 材料物性控制的“遗传/孕育”准备(涉及质量、品种、市场)。2.5薄板坯连铸连轧流程“在线”/“离线”协调的内涵(1) 流程短即压缩比的“临界”优化。(2) 工序间传搁、等待时间的最小化。(3) 工序间温降损失的最小化和协调。(4) 工序间时间(时钟推进)温度协调优化基础上的最佳物流流量。(5) 工序装置“在线”/“离线

15、”的协同化和最佳利用率。(6) 工序间生产体(如钢液、铸坯、轧件等)的收得率最大化。即：物流通过时间的“最小化”/min*t-1；系统能耗的“最小化”/kJ*t1；最大的工艺装备“在线率”/%；投资额、投资效率的优化/¥*t-1。3薄板坯连铸连轧流程的时间解析3.1时间的重要性时间是一个值得注意讨论的参数，从物理角度上看，时间是一个非常基本的独立参数。时间是连续的而且是不可逆转的。时间的价值是值得研究的。在制造过程中，时间对流程“连续”/“间歇”性的影响，时间对作用过程和作用机理的表征，时间对经营机会、市场竞争等的影响，这些不同层次问题的技术含义、经济含义都是值得研究的。时间是钢铁制

16、造流程系统中的一个重要参数，是生产、经营过程中的基本参数。随着全球绝大多数钢厂都向着全连铸生产体制演进并进行企业的结构性重组时期的来临，特别是进入90年代以来，薄板坯连铸连轧工艺成功地投入生产，“紧凑型”钢厂迅速发展起来，钢铁制造流程的过程时间越来越短，制造过程中的时间因素的调控越来越重要。就整个钢厂的经营而言，时间的重要性体现在从企业接受用户订货开始，企业购买原、燃料直到产品发货、资金周转整个过程中时间周期的合理安排。就钢厂的具体制造流程而言，时间则表现为从原料、能源的储运开始到制造流程内各工序间的时钟推进计划以及过程中的时间点等因素的协调和必要的变更等。3.2时间在钢铁制造流程中的表现形式

17、及其内涵在钢厂制造流程中特别是对于“紧凑型”钢厂流程而言，时间在流程中的具体表现形式越来越丰富。时间在钢厂制造流程中的表现形式已不再是简单地表现为过程时间的长短了，而是以时间点、时间域、时间位、时间序、时间节奏、时间周期等形式表现出来，解析这些时间表现形式，对于建立起钢厂的CIMS或MIS系统具有重要的意义。在传统的间歇性作业工序/装置或间歇性生产流程中，人们往往将时间当作随机自变量看待。而在连续化/准连续化制造过程中，时间不仅是随机自变量，还应该将它作为目标函数来研究，分析它在钢铁制造流程各单元工序间协调(集成)过程中的涵义。(实际上，从整体看，钢铁制造流程正在不断地向“连续化”的方向发展，

18、其内涵比单纯的连续反应器要复杂的多。)例如，在研究钢厂生产过程的智能化调度时，必须通过研究各类影响因素及其影响机理，使工厂生产系统在满足各方面要求(或边界条件)的情况下，达到生产过程时间最短或工序之间时间的连续性(包括热连接的要求等)、协调性，或生产效率最高。此时，时间就是作为目标函数(或应变量)出现的。若着眼于制造过程中的温度(热能)变化规律，工序处理时间和传搁过程时间显然对生产体(如铁水、钢水、铸坯、轧件等)的温降有很大影响，此处处理、传输、等待等过程的时间呈现自变量的性质。可见，时间在钢厂制造流程中具有既是自变量又是目标函数(应变量)的两重性。就某一工序、某一装置而言，其时间消耗值是由化

19、学(物理)冶金时间、辅助作业时间和传输、装卸、等待(缓冲)时间所组成的。其具体表现形式为工序的时间点(开始时间点或离开时间点)、过程时间域(如过程时间的长短和起止时间范围等)和时间节奏(工序作业时间、流程周期时间的节律性等)等的调控。就前后工序或相邻工序之间的关系而言，则表现为时间序的安排，时间位的调控，时间域的衔接、缓冲、协调范围以及缓冲协调范围的长程性/短程性(相邻两工序之间的时间协调为短程性调控，三个或三个以上工序直到整个流程系统的时间协调属于长程性调控)，传输的时间过程，等待时间的长短和时序安排等(图 3)。3.3关于钢铁制造流程中时间概念的数学表示时间点：制造流程中的生产体(如矿石、

20、废钢、铁水、钢水、钢坯、轧件等，下同)所对应的某个工序O中某操作k的起止时刻，表示为tksO，tkeO，见图4(a)。图 3薄板坯连铸连轧流程的时间解析Fig.3Time analysis of thin slab continuous casting and rolling process1电弧炉；2精炼炉；3中间包；4连铸机；5铸坯补热装置；6轧机；7钢水；8铸坯；9热轧材图 4时间点示意图Fig.4The illustration of time point时间点的含义不仅表现在某工序内，生产体流经各工序的过程中都有时间点的概念，见图4(b)。在实际生产过程中，也存在计划时间点与实际作业

21、时间点的差别。图4中，t1sO，t2sO，t3sO，tksO，tnsO为某工序O第1，2，3，k，n个操作的起始时间点；t1eO，t2eO，t3eO，tkeO，tneO为某工序O第1，2，3，k，n个操作的终止时间点；为某生产流程第，n个工序的起始时间点；为某生产流程第，n个工序的终止时间点。时间序：在实际生产过程中，对不同产品而言，为了获得理想的技术经济指标(质量、成本、效率等)，生产体流经各工序的时间需要按照科学的顺序进行顺次排列，形成流程合理途径的时间序。用数学方法可以描述为式中t1O，t2O，t3O，tkO，tnO为某工序O中第1，2，3，k，n个操作的时间序次；t，t，t，tn为某制

22、造流程中第，n个工序的时间序次。图 5时间序示意图Fig.5The illustration of time sequence时间序包含某工序O内若干个操作的时间排列序次和生产流程中若干个工序的排列序次两个概念，见图5。时间域：生产体处于某工序O的时间一般是由工艺操作(处理)时间、若干辅助操作时间、以及输送、等待、缓冲等时间组成。所谓时间域就是上述过程时间的总和。表示为式中某工序O的时间域/min-min；  某工序O中的工艺操作(处理)时间/min；  某工序O中的辅助操作时间/min；  某工序O中的等待时间/min；  某工序O中的缓冲时间/min

23、；  某工序O中的输送时间/min；  某工序O时间域的起始时间点/min；  某工序O时间域的终止时间点/min。图 6时间域示意图Fig.6The illustration of time-domain时间域具有双重含义，既包括起止时间点，又包括过程时间长短，见图6。另外，时间域的概念也可扩展到几个工序甚至更大范围。时间位：从时间域的定义可以看出，由于辅助操作、等待和缓冲时间的存在，某工序的工艺操作(处理)时间在相应的时间域内应具有合理的“位置”，而且这个“位置”将直接影响整个制造流程的调控或优化，由此需要提出“时间位”概念。数学表示为式中某工序工艺操作时间域

24、/min-min；  某工序的作业时间域/min-min；  某工艺操作的开始时间点/min；  某工艺操作的结束时间点/min；  某工序内某一操作的时间域/min-min；tBE工艺操作前的辅助、传送、等待及缓冲时间/min；tAF工艺操作后的辅助、传送、等待及缓冲时间/min。上式中的tBE、tAF和相对数值的大小，直接影响在某工序时间域中所处的位置，见图7。因此，时间位存在三重涵义，即生产体经历某工序的工艺操作过程时间的长短、工艺操作时间的合理位置及其起止时间。图 7时间位示意图Fig.7The illustration of time posi

25、tion时间周期、时间节奏：生产体经历制造流程内所有工序所需的时间过程(包括工序工艺加工操作时间，工艺辅助操作时间，输送时间，等待/缓冲时间等)谓之时间周期，表示为式中，tc为时间周期/min-min；为工序，n的时间域/min-min。若干个生产时间周期连续进行时，若各时间周期相等或近似，就会构成时间节奏。即：时，形成规则有序的时间节奏，见图8。图 8时间周期和时间节奏关系示意图Fig.8Relation between time cycle and time rhythm当然，这类时间周期和时间节奏的表现形式也可以出现在制造流程中的某一工序、某一区段(车间、分厂)的范围内。4“紧凑型”流程

26、钢厂“粘性”制造系统及其“粘性”耗散值问题4.1“紧凑型”流程钢厂的运行特征薄板坯连铸连轧流程的工业化导致了一代“紧凑型”钢厂的发展，其生产流程可以用类比的方法抽象为“粘性”制造流程系统3，该系统是由“刚性单元”(例如电炉、连铸机、轧机)、“柔性单元”(例如二次冶金装置、铸坯补热装置)的组元集合和各组元间关系集合组成。系统中各个工序的功能、各个单体设备的瞬时能力是不同的，但在相当大的程度上又有很强的相关性，这近似于不均匀的连续过程(或准连续过程)。这种“粘性”系统的运行方式为“准连续/间歇”性质的“弹性链/半弹性链”的稳定或非稳定谐振。当外界有“刺激”时，这类“粘性”系统的各个单元作出的“响应

27、”在时间上表现出不同的滞后度，在容量性能力的发挥上会有不同的增减，甚至对工序的功能性能力的发挥也会有不同的选择或增减。总之，这种“粘性”系统在受到“刺激”时，系统内各单元工序往往表现出不同类型、不同滞后度的“响应”。这种系统分析方法的优点之一是内耗来源于系统本身的特点(如流体的粘性耗散)而非其它人为因素。然而，由于流程生产系统不仅具有制造系统本身的“粘性”，同时也不可能没有人为的影响人为“粘性”，因而，流程优化问题又不可能脱离管理哲学问题(图 9)。图 9“粘性”制造系统的“弹性链/半弹性链”稳定协调振动状态及其不同类型Fig.9Stable resonance of elastic/semi

28、elasticchain and its different types in adhesive production process电炉；钢包炉；连铸机；加热炉及附属储存库；热轧机AA标准状态；A(+)A(-)正常柔性调控范围；A(+)A(-)极限柔性调控范围图 10不同类型钢厂流程的温度时间图Fig.10Temperature-time diagrams of different steel manufacturing route(a)高炉联合企业制造流程(冷装)的温度时间图1矿石；2烧结机；3矿槽；4高炉出铁；5铁水预处理；6转炉吹炼；7精炼；8连铸；9板坯库；10加热炉；11轧制；12

29、成品库(b)电炉棒材生产流程的温度时间图1废钢；2电炉出钢；3精炼末；4连铸；5铸坯库；6加热炉；7轧制；8成品库(c)电炉薄板坯连铸连轧流程的温度时间图1废钢；2电炉出钢；3精炼末；4连铸；5加热炉；6轧制；7成品库4.2关于“粘性”制造系统的“耗散”问题所谓“耗散”问题实际上就是效率问题，或是物质、能量(价值、资金等)的利用效率问题；或是时间的利用价值问题。“耗散”现象往往是伴随着过程形成、发展的。对于钢铁制造流程的图形分析，我们可以看到图10所示的钢厂生产流程中的温度时间关系。由图10的比较可以看出以下几点。(1) 不同类型钢厂流程的温度时间图的差别所在实际上是不同工艺流程、不同产品、不

30、同产品大纲的系统能耗的最小化问题、成本最小化问题，即：时间过程、周期的最小化；温度波动范围最小、热焓损失最小；金属收得率最大。(2) 系统生产效率最大化问题：在线作业率最大化；单元时间/装置生产效率最大化。(3) 在产品大纲优化组合前提下经济效益最大化问题，即：单位产品的经济效益(成本、销价)；产品的品种/规格优化组合、生产经营计划的协调。(4) 区段“粘性耗散值”与系统整体“粘性耗散值”问题。上述诸项的内涵是涉及企业最高层次上的系统整体“粘性耗散”问题，其支撑点则是区段与系统的“粘性耗散值”的优化。所以这是两个不同层次而又相关的问题。区段过程优化：E*R*其中E各单元工序优化的集合；

31、0; R各相邻工序间关系优化的集合。整体系统优化：ER*其中E各单元工序的集合；  R各单元工序间关系(包括短程关系、长程关系)的集合。这两类优化问题都要研究，二者是相互作用甚至互为因果的。例如现在搞的炼钢厂的多维物流系统研究、人工智能调度等，相当程度上属于E*R*，但也有ER*的内涵。总体上看，基本上是MIS范畴。如果要控制薄板坯连铸连轧整个工厂，则要进一步将轧钢过程甚至经营销售计划包括在内，就靠近CIMS了。就系统整体优化ER*而言，命题有：工序间短程、长程衔接、匹配、协调的问题；同类设备负荷分配问题；作业时间点、时间序、时间域、时间位、时间节奏等设计安排问题；设备群的任务分配、

32、协调问题。总的来讲是在保证质量、防止设备事故的前提下，实现热焓损失最小、时间过程最短、成本费用最低，当然也有生产效率最大化的问题。实际上是一定边界条件下，目标函数的最大化/最小化问题。这可以用投入/产出模型、线性规划模型、系统分析方法等数学手段来处理。数学方法是非常重要、有效的。但是如果物理模型不对，则数学方法再好，也是无功劳动。而物理模型则要以工程哲学、工程科学、美学包括专家的经验来指导，这样才能体现工程最本质的东西，搞得好，往往有创造性的思维、方法出现。为了解决不同区段、不同产品、不同企业的“粘性耗散值”问题，进行调查研究、文献分析，并在此基础上建立起必要的软件知识库；进而在设定的物理模型的条件下选择目标函数，确定边界条件，开展定性