郭峪坤^1，2，李建生³，马新光³，项有兵³，崔志宏³

( 1． 冶金自动化研究设计院有限公司，北京 100071; 2． 冶金智能制造系统全国重点实验室，北京 100071;3． 唐山钢铁集团有限责任公司生产制造部，河北 唐山 063000)

摘要: 钢铁制造流程中的炼铁 － 炼钢界面，作为连接炼铁和炼钢工序的关键环节，对于钢铁企业的生产效率、节能减排、降低成本以及提升竞争力至关重要。近年来，“一罐到底”模式作为一种新兴的界面技术受到广泛关注，然而对于高炉下提前推荐最合适铁水罐技术的研究不够充分。针对这一问题，提出了一种铁水罐智能配罐技术，通过对铁水罐的实时位置和状态进行跟踪，并综合考虑炼钢厂冶炼计划，进行长周期的铁水罐未来位置和状态的实时预测，以选择最合适的铁水罐进行配罐，从而提高铁钢界面运行的流畅度和效率。通过在唐钢新区的实际应用中进行验证，该技术使得铁钢界面中的铁水罐周转率、铁水罐在线个数、铁水 KＲ 进站温度等指标得到显著改善，为铁钢界面的生产运行提供了有效的技术支持和优化方案。

关键词: 钢铁企业; 一罐到底; 铁钢界面; 铁水罐配罐

0 引言

殷瑞钰院士在《冶金流程工程学》中指出，钢铁制造流程是一个由烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等主要工序构成的集成运行系统^［1］，其中铁钢界面是关键。优化铁钢界面流程对钢铁企业的生产效率、节能减排、成本降低和竞争力提升至关重要。“一罐到底”模式是钢铁企业炼铁 － 炼钢区段的一种新型界面技术，采用铁水罐具备铁水承接、运输、预处理、转炉兑铁等功能，省去了倒罐环节，具有占地少、设备投资少、粉尘排放少、物流简便等优势^［2］。目前企业根据自身条件制定了铁路运输、过跨天车运输和汽车运输 3 种个性化的“一罐到底”模式。

针对基于“一罐到底”模式下铁钢界面流程优化的研究越来越广泛，主要集中在对各种“一罐到底”总图布置型式优劣比较^［3－6］、铁水转运过程中温降分析及减少温降的对策^［7－10］、铁水热损失模拟预测^{［11－15］}、铁水罐周转过程及其优化调控^{［16－20］}、尾罐效应及其对生产指标波动的影响^{［21－22］}。但对铁钢界面中高炉下提前推荐最合适铁水罐技术的研究还较少，目前缺乏对该方面

的关注。文献中对智能配罐技术的研究大多是针对钢包进行的配罐，且针对钢包的配罐也主要是根据对钢包位置的实时跟踪，从而打破了钢包信息的孤岛，再根据相关钢水温度补偿规则作为转炉钢包配罐的依据^［23］。针对铁水罐的配罐技术相关文献研究较少，并且大多是针对高炉下配罐制度的研究，并没有针对根据铁水罐实时位置信息等推荐具体的铁水罐做相关研究。

本文通过对炼铁 － 炼钢区段铁水罐位置进行跟踪预测，并根据预测结果推荐最合适的铁水罐，为高炉下铁水罐的提前配罐提供了解决方案。

1 唐钢新区铁钢界面配罐模式

唐钢新区铁钢界面配置3座2 922 m³高炉^［24］，每个高炉共有 4 个铁口，每个铁次出 800 ～1 000 t 的铁水。炼钢区段共有 2 个炼钢厂、4 座KR脱硫站。铁水罐分大、小包两种类型，分别是26 t、130t 的公称容量。铁水罐运输采用“机车 + 天车”的运输方式。

唐钢新区的高炉炉下配罐由铁运调度负责，现场调度人员根据电话沟通获知高炉下一场出铁的铁口信息，再根据生产指挥中心下达的高炉大小包分配个数指派机车拉运空包到对应的铁口下进行配罐，在铁水罐变为空包且在转炉兑完铁落架之后，铁运调度人员再根据哪个高炉更急需空包的原则将此类空包进行分配。在实际配罐过程中，由于可用空包数量的限制，铁运调度人员很难在铁次开始出铁之前将所需的所有空包都配齐。在实际生产调度过程中，铁运调度人员根据兑铁结束的落架空包的实时产生情况进行动态配罐，即在实际生产中高炉下配罐的过程是一个动态补充的模式，如图 1 所示。

目前唐钢现场的配罐方式无法提前预测未来空包的产生情况，也无法综合考虑每个铁水罐的当前位置状态和未来位置状态进行合理配罐，容易导致出现铁水罐周转时长过长的问题。同时由于无法预判未来空包能否及时到炉下配罐，容易导致高炉出铁过程中，发现铁水空包不够用，临时上线铁水罐也来不及，从而导致高炉紧急堵口，影响高炉的正常出铁，打乱了炼钢厂的铁水供应计划。为了减少空包无效等待时间、铁水罐的周转时长、铁水的温降，提高铁水罐周转率，亟需一种综合考虑每个铁水罐的当前位置状态和未来位置状态，并结合相关工艺规则进行合理配罐的技术。

2 铁钢界面中的配罐技术研究

2． 1 铁水罐智能配罐技术

针对上述问题，本文提出了一种炼铁 － 炼钢界面铁水罐智能配罐技术。该方法通过对铁水罐的实时位置和状态进行跟踪，并综合考虑炼钢厂冶炼计划，进行长周期的铁水罐未来位置和状态的实时预测。综合考虑高炉出铁时间和位置，选择最合适的铁水罐进行配罐，给出未来的高炉下配罐计划。对于该方法的具体描述如图 2 所示。1) 获取钢铁企业各铁水罐炼铁 － 炼钢区段相关线路的实时位置信息、相关作业计划、各计划铁次需要配大小包个数、离线铁水罐列表等信息。再根据高炉出铁计划中各铁次计划的开始出铁时间进行排序，将高炉出铁计划依次输入。2) 根据当前计划铁次所需要大小包配罐个数及安全出铁容量规则来确定该计划铁次最终所需大小包个数。通过采集的各铁水罐实时位置和炼钢厂转炉冶炼计划，进行铁水罐未来位置和状态的预测，进一步计算得到所有在线铁水罐预计到达目标铁口的时间。对各在线铁水罐预计到达目标铁口下的预计时间进行排序，再以铁水罐检修计划为约束，初步得到该计划铁次的配罐包号。3) 检查当前计划铁次的计划配罐，预测到达目标铁口时间是否符合出铁时间要求，若有不符合要求的铁水罐，则从离线铁水罐中选择上线优先级较高的铁水罐。按照各计划铁次的出铁开始时间排序，并将所有高炉出铁计划遍历之后，输出各计划铁次的配罐包号。

其中基于采集的铁水罐实时位置和炼钢厂转炉冶炼计划，进行铁水罐未来位置和状态预测的具体流程如图 3 所示。1) 对一段时间的生产数据进行统计分析，得出炼铁 － 炼钢区段各路段重 /空包的平均运输时间、KＲ 进站平均等待时间、KＲ 脱硫平均作业时间、转炉兑铁平均作业时间、天车吊空 /重包平均作业时间; 2) 各在线空包通过实时采集铁水罐空闲位置及时刻，再根据各铁水罐需要经过的运输路段及各路段空包的平均运输时间来对在线空包预计到达目标铁口时间进行计算和预测; 3) 没有匹配转炉冶炼计划的各在线重包根据铁水罐需要经过的运输路段及各路段重 /空包的平均运输时间、KR进站平均等待时间、KＲ 脱硫平均作业时间、转炉兑铁平均作业时间、天车吊空 /重包平均作业时间来对各在线重包到达目标铁口时间进行计算和预测; 4) 已经匹配转炉冶炼计划的各在线重包到达目标铁口时间按照转炉冶炼计划的作业结束时间加上天车吊空包平均作业时间以及空包到达目标铁口所需的各路段空包平均运输时间来进行计算和预测。

2． 2 铁水罐智能配罐技术的难点

该技术的实现需要钢铁企业有一定的条件支持。例如需要有较为准确的集铁水罐实时位置采集、铁水罐状态采集、炼钢厂转炉冶炼计划、铁水罐检修计划等信息的生产管控系统，并且由于各钢铁企业的平面布局、物理结构、生产流程会有不同程度上的差异，从而会造成对该技术的实现造成一定的困难和扰动。首先唐钢现场铁钢界面的工艺路径十分复杂( 图 4) ，会对铁水罐未来位置和状态预测造成较大的困难。其次会存在例如高炉出铁时间、出铁量、炼钢选取铁水罐的不确定性、铁水罐预计到达时间不及时、铁水罐临时上下线、炼钢需求计划变更、尾包、机车检修等大小扰动。针对机车检修、铁水罐临时上下线等小扰动，可以对原计划进行局部优化; 对于高炉出铁时间、出铁量、炼钢选取铁水罐的不确定性等大扰动，可以在已执行的计划实绩约束条件下，以保证高炉出铁安全和满足炼钢铁水需求量、时间为目标，对未执行的配罐计划进行全局动态调整，形成新的计划，从而保证生产动态有序进行。当高炉出铁量过多以及铁水罐预计到达时间不及时时，该方法便不能准确及时地进行配罐操作，此时便需要通过人机交互界面进行手动调整配罐。

通过上述流程实现对铁钢界面中高炉下铁水罐的提前配罐，目前该技术已经集成在唐钢新区流程优化与智能化运行系统中。通过该技术的应用，可以对铁运调度进行全局铁水罐组编运输优化提供基础，提高铁水罐的周转率，从而降低铁水罐周转过程中由于等待造成的铁水温降。

3 应用及效果

图 5 所示为唐钢新区流程优化与智能化运行系统中集成该方法的人机交互界面。该界面可以将智能配罐技术的结果进行展示，并细化到各高炉、铁口、铁道上。其中包括尾包、重包、空包的提前预测配罐，以及对配罐方案的修改确认功能。

图 6 所示为在唐钢新区流程优化与智能化运行系统中的铁运调度图界面对智能配罐结果进行展示。该界面通过虚拟空包的形式将智能配罐结果形象、直观地进行展示，可以对炉下配罐方案进行清晰地表达，还可以通过拖动虚拟空包的位置对智能配罐结果进行修改。

该技术在唐钢现场应用以来，不仅从人机交互模式上改变了原有现场调度人员电话沟通的模式，大大降低了现场调度人员的沟通成本，提升了人机界面交互的程度，而且从工艺指标上使铁水罐周转率从 2． 47 次 /天提高到 3. 74 次 /天以上，如图 7 所示。铁水罐进热轧 KＲ 的平均铁水温度达到 1 393 ℃ 以上( 图 8) ，比 2022 年 3 月平均提高28 ℃ ，铁钢界面各项指标均有了较大程度的提升。

4 结论

1) 铁钢界面连接和匹配炼铁与炼钢的过渡过程，对整个生产流程的稳定性至关重要。确保界面功能的有效匹配与集成对于实现全流程的节能、降低消耗、减少污染和成本削减至关重要。在“一罐到底”模式的铁钢界面中，物质流运行与铁水罐的周转过程密切相关，应对铁水罐的实时位置和状态进行跟踪，并结合相关信息对铁水罐未来位置状态进行预测，再考虑高炉出铁时间和位置等工艺规则，选择最合适的铁水罐进行配罐，给出未来的高炉下配罐计划。

2) 本文从提高铁钢界面的衔接匹配、运行节奏和流畅性的角度出发，提出了一种高炉下铁水罐智能配罐的技术，并对该技术在唐钢新区实际应用中存在的一些难点问题进行了局部优化、动态调整和人机交互的处理。该智能配罐技术在唐钢新区的实际使用过程中表明，该技术大大降低了现场调度人员的沟通成本，提升了人机界面交互的程度，而且提升了铁钢界面运行的流畅度，使得铁水罐周转率、铁水 KR进站温度等指标有了较大程度的改善。

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