论文摘要
现代大型钢铁企业炼铁-炼钢区间的铁水物流过程是由多座高炉、多个铁水预处理站（包含多个前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣设备）以及多个炼钢厂倒罐站组成的。高炉产出的铁水由鱼雷罐车（torpedo car,简称TPC）承载（TPC一次装载的铁水称为一个TPC罐次）,并由机车牵引至铁水预处理站,铁水预处理站包括前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣等工序,TPC罐次首先由前扒渣设备去除TPC内铁水表层的铁渣,然后由脱硫（脱磷）设备进行铁水的脱硫（脱磷）处理,处理结束之后再由后扒渣设备将脱硫（脱磷）处理后铁水表层产生的铁渣扒掉,之后TPC罐次由机车拉至倒罐站,将铁水倒入至铁水包中,至此铁水完成了在TPC中的运载过程。炼铁-炼钢区间的铁水调度是在保证铁水物流平衡的前提条件下,以炼铁厂的高炉出铁计划及炼钢厂的炼钢出钢计划为基础,以TPC罐次为调度工件,按照炼钢出钢计划中浇次对于铁水的时间、重量、成分等指标的要求,完成TPC罐次与预罐次（由炼钢出钢计划中的浇次转化而来）之间的对应,编制出铁钢对应计划。并进而以铁钢对应计划为基础,确定出TPC罐次在前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐等工序的加工处理设备以及处理开始时间和结束时间,形成TPC罐次的生产作业时间表（称为铁水调度计划）。在铁水物流生产过程中,因为TPC罐次在设备上处理时间的波动、TPC罐次在高炉下的二次受铁、运输设备（机车）没有及时到位以及运输时间的波动等导致某一TPC罐次在设备上不能按时开工造成大延时,如果仍然按照原调度计划执行,会导致相邻TPC罐次在同一设备上产生作业时间的冲突,因此需要对原调度计划进行调整（即重调度）。由此可见,炼铁-炼钢区间的铁水调度是由铁水物流平衡、铁钢对应调度、TPC罐次铁水静态调度以及铁水重调度等问题所组成的。铁水物流平衡是以计划周期内炼铁厂各座高炉的最大产能、各炼钢厂的需铁量以及各炼钢厂的最大产能为基础,以计划周期开始时的在线铁水量、计划周期内在线铁水的最大／最小安全库存量、各高炉到各炼钢厂的运输费用系数为已知条件,以最大化发挥各高炉的生产能力,各高炉到各炼钢厂的铁水运输费用最小化为目标,确定计划周期内每个子周期下各高炉运往各炼钢厂的铁水重量,形成铁水物流平衡计划表。铁钢对应调度是以炼铁厂的高炉出铁计划、炼钢厂的炼钢出钢计划为基础,确定出高炉出铁计划中的各个TPC罐次,与炼钢出钢计划中各浇次转化形成的各个预罐次之间的对应关系,即将某个TPC罐次对应到哪一个预罐次上去,满足某个炼钢厂的某个浇次对于铁水的需求,并确保受铁结束时间较早的TPC罐次优先对应到目标倒罐时间较早的预罐次上去,最终编制生成铁钢对应计划表。TPC罐次铁水静态调度是以铁钢对应计划为基础,在TPC罐次所经过的铁水预处理站及倒罐站,TPC罐次在高炉受铁、前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐等工序设备上的加工处理时间及运输时间已知不变的条件下,以同一台设备上加工的不同TPC罐次之间不能出现作业时间的冲突、TPC罐次在倒罐站准时倒罐为性能指标,确定各个TPC罐次在前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐工序上的加工处理设备及处理开始时间和结束时间,形成TPC罐次铁水的生产作业时间表（称为铁水调度计划）。在铁水调度计划的执行过程中,由于TPC罐次在设备上加工时间的波动、运输时间的波动、TPC罐次在高炉下的二次受铁以及运输设备（机车）没有及时到位等原因使得某一TPC罐次在设备上不能按时开工形成大延时,从而造成与相邻TPC罐次的作业时间冲突。因此,需要对原调度计划进行调整（即铁水重调度）。铁水重调度是以原有铁水调度计划为基础,在TPC罐次的加工作业状态、TPC罐次在前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐工序设备上的加工处理时间不变、以及TPC罐次的运输时间不变的条件下,以同一台设备上加工的不同TPC罐次之间不能出现作业时间的冲突、TPC罐次在倒罐站准时倒罐为性能指标,确定各个TPC罐次在其作业状态为“未处理”的工序上的加工处理设备及处理开始时间和结束时间,重新形成新的铁水调度计划表。炼铁-炼钢区间的铁水生产物流过程是钢铁企业生产的重要组成部分,在钢铁企业的生产中担负着承上启下的作用。铁水生产物流过程的运行状态影响着上游炼铁高炉及下游炼钢转炉等大型设备的生产。因此,炼铁-炼钢区间的铁水调度对于钢铁企业的生产具有非常重要的作用,如果铁水调度的效果不够理想,将会影响到高炉出铁的安全性,或因铁水供应的不及时造成后序转炉炼钢生产时间的延迟。在TPC罐次铁水静态调度以及铁水重调度问题中,由于“同一设备上加工的不同TPC罐次之间不能产生作业时间冲突”以及“TPC罐次加工处理顺序”这两个约束条件的描述都存在着多种可能性,可以被表示为多个约束方程,因此难以采用已有的优化方法去解决。而在现有的铁水调度研究文献中,只是将铁水预处理站看成一个整体,忽略了铁水预处理站内所包括前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣等工序设备,而且也忽略了在前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐等工序存在多台同类设备的情况,导致了所研究的方法难以应用到钢铁企业的铁水调度中。因此,目前钢铁企业的铁水调度只好采用人工调度的方式。人工进行铁水调度不仅费时费力、效率低下,而且带有较大的随意性与片面性,并且缺少预判性,极易造成TPC罐次在各工序设备间的冗余等待时间过长,从而影响其按时倒罐；或者会影响前扒渣、后扒渣等瓶颈工序设备的利用率,降低了生产效率,增加了能源消耗,使得铁水调度的质量难以保证,效果不够理想。本文以国内某大型钢铁企业具有4座高炉、2个铁水预处理站（其中一炼钢厂铁水预处理站具有1台前扒渣设备、2台脱硫设备；二炼钢厂铁水预处理站具有1台前扒渣设备、3台脱硫（脱磷）设备、2台后扒渣设备）、2个炼钢厂倒罐站（其中一炼钢厂倒罐站具有1个倒罐工位,二炼钢厂倒罐站具有4个倒罐工位）的铁水物流过程为背景,对于炼铁-炼钢区间铁水优化调度方法及应用开展了研究,取得成果如下：1.首先,在对炼铁-炼钢区间的铁水物流过程进行描述与分析的基础上,提出了由铁水物流平衡、铁钢对应调度、TPC罐次铁水静态调度以及铁水重调度所组成的炼铁-炼钢区间铁水调度的总体结构,并对于以上各个问题的目标、约束条件、决策变量等关键要素进行了描述,同时分析了炼铁-炼钢区间铁水调度难以采用已有优化方法解决的原因。在对生产现场人工调度过程进行描述的基础上,分析了人工调度存在的不足。2.提出了由铁水物流平衡、铁钢对应调度、TPC罐次铁水静态调度以及铁水重调度所组成的炼铁-炼钢区间铁水调度的总体调度策略,以及基于规则、启发式算法、线性规划相结合的铁水优化调度方法,主要由以下四部分组成：①铁水物流平衡方法：在分析了铁水生产物流过程工艺要求的基础上,以最大化地发挥各高炉的生产能力、各高炉到各炼钢厂的铁水运输费用最小为目标,以各高炉及各炼钢厂的最大产能限制、在线铁水不能超出最大／最小安全库存量的范围为约束方程,以计划周期内每个子周期各高炉运往各炼钢厂的铁水重量为决策变量,建立了铁水物流平衡问题的数学模型,并提出了基于线性规划的铁水物流平衡方法。②铁钢对应调度方法：在分析现场人工进行铁钢对应调度时所考虑因素（铁水的重量、成分、时间、温度等）的基础上,描述了铁钢对应调度问题的约束条件和目标。针对铁钢对应调度问题难以精确建模,提出了基于规则的启发式算法用于解决铁钢对应调度问题,该算法包含了从铁水调度专家的经验及现场的工艺要求中提炼出的4类共7条铁钢对应调度规则。③TPC罐次铁水静态调度方法：以铁钢对应计划表为输入,以TPC罐次在倒罐站准时倒罐、TPC罐次在各工序设备间的总等待时间最小、以及最大化地发挥前扒渣、后扒渣等瓶颈工序设备的产能为目标,以同一设备上不同TPC罐次不能产生作业时间冲突、TPC罐次的加工处理顺序、前/后扒渣工序设备的最大产能限制等为约束方程,以各TPC罐次在前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐工序上的处理设备及处理开始时间为决策变量,给出了问题的数学描述。分析了该问题难以采用已有优化方法解决的原因,提出了由基于规则的TPC罐次批次的划分,基于启发式算法的特殊类型铁水TPC罐次的处理设备指派,基于线性规划的特殊类型铁水TPC罐次处理开始时间的优化决策,基于FCFS（先到先服务）规则启发式算法的普通类型铁水TPC罐次的调度等四部分组成的调度策略。④某一TPC罐次不能按时开工造成大延时的铁水重调度方法：以原有铁水调度计划表为输入,以TPC罐次在倒罐站准时倒罐、TPC罐次在各工序设备间的总等待时间最小、以及最大化地发挥前扒渣、后扒渣等瓶颈工序设备的产能为目标,以同一设备上不同TPC罐次不能产生作业时间冲突、TPC罐次的加工处理顺序、前／后扒渣工序设备的最大产能限制等为约束方程,以在前扒渣、脱硫（脱磷）、后扒渣、倒罐等工序的作业状态为“未处理”的TPC罐次的处理设备及处理开始时间为决策变量,给出问题的数学描述。分析了该问题难以采用已有优化方法解决的原因,提出了由基于规则的已完成各工序处理的TPC罐次与尚有未处理工序的TPC罐次的分离,基于规则的尚有未处理工序的TPC罐次批次的划分,基于启发式算法的特殊类型铁水TPC罐次处理设备的指派,基于线性规划的特殊类型铁水TPC罐次处理开始时间的重调度,基于FCFS（先到先服务）规则启发式算法的普通类型铁水TPC罐次的重调度等五部分组成的重调度策略。3.采用上述所提到的铁水物流平衡方法、铁钢对应调度方法、TPC罐次铁水静态调度方法及某一TPC罐次不能按时开工造成大延时的铁水重调度方法,设计开发了炼铁-炼钢区间铁水调度系统软件,在国内某大型钢铁企业的铁水物流过程中进行了工业应用研究,并成功应用。系统的运行效果表明：对于铁水物流平衡计划、铁钢对应计划的编制,铁水调度计划的编制与调整（即重调度）,本文所提出的方法均可以在10秒以内完成,大大低于现场人工编制各种计划所需的时间,满足了现场对于铁水调度实时性和快速性的要求。对于平均每天150个TPC罐次,与该钢铁企业原来的人工调度相比,降低了TPC罐次在各工序设备间的等待时间,减少了TPC罐次倒罐时的提前／拖期时间,提高了前扒渣、后扒渣等瓶颈工序设备的利用率,从而提高了生产效率。
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