摘要：在炼钢车间实际生产中，往往由于钢种不同而需要多种工艺路线混合作业，钢铁生产中的炼钢连铸阶段操作过程复杂，工艺约束条件多，是生产调度的难点。因此有必要针对该生产状况下的炼钢连铸调度问题进行研究。
关键词：炼钢连铸；两阶段；遗传算法；多缓冲
引言
针对炼钢连铸生产调度问题具有多并行机、多缓冲、多约束的特点，提出了两阶段求解浇次序列的最小完工时间，并用启发式和遗传算法进行优化的方法。在第一阶段，以浇次为单位进行单个浇次内各炉次的分配、排序及定时，并通过有限、无限和可加工缓冲区的三类缓冲能力进行调整，获得单个浇次的初始调度；第二阶段对多个浇次调度进行合并重组，以最小完工时间为目标，运用三类缓冲区的储存能力，对各炉次的加工时间改进，优化浇次的最优序列，获得更好的调度方案。最后根据某钢厂的实例用启发式和遗传算法可获得可行性优化解。
1多缓冲炼钢连铸生产调度问题
1.1问题描述
炼钢–连铸生产过程是将铁水经过冶炼、精炼和浇铸形成板坯.钢水在设备之间由天车和台车进行运输.在转炉炼钢过程中,高炉产出的铁水运输到转炉后和废钢一起倾倒入转炉中.然后,通过加热将转炉中的铁水和废钢加工成均匀的液态钢水,去除其中的杂质并使其钢水的含碳量达到期望的比例.同时,转炉产出的钢水要达到一定的出钢温度要求.精炼是把钢水进行脱气、脱氧、脱硫,均匀化钢水的成分和温度、去除夹杂物、控制成分和升温。浇铸是将高温钢水经由连铸机固化、冷却、拉流、切割转变成各种尺寸、表面无缺陷的、内在组织和温度受控的板坯,并为热轧阶段或其它阶段提供原料.炼钢厂共有5类主体加工设备:转炉类、RH精炼类、LF精炼类、IR–UT精炼类和连铸类。炼钢连铸生产工艺一般包括三个阶段。第一阶段是将铁水、废钢、铁合金等为原料在转炉（EAF）中冶炼成钢水，形成所需要的钢种；第二阶段为精炼阶段，通过钢包处理（LF）、VD、RH等工序，将转炉后的钢水改变成分，从而得到较纯净的钢质；第三阶段为连浇连铸（CC），根据订单要求固定拉速，把上一阶段形成的钢水进行浇铸，为以后工序做准备。
1.2多缓冲、多并行机、多约束炼钢连铸调度问题的求解方案
在炼钢连铸生产调度问题中，不仅要满足该生产工艺过程的一般性约束，同时还需要处理无限、有限和可加工三种类型缓冲区，以及考虑CC阶段连浇连铸、CC阶段浇次间最短准备时间、所有炉次驻留时间受限等特殊约束。用两阶段方法来分解炼钢连铸生产调度问题，将当前浇次序列分两阶段进行运算，得出该浇次序列的最优最大完工时间。再运用遗传算法改变浇次排序，最后求得最好的浇次序列与该浇次序列的最小最大完工时间。第一阶段，对当前浇次序列读取各浇次内已知的炉次信息，确定每一浇次内各炉次的机器分配及任务排序。考虑每个浇次第一炉在除CC阶段外各阶段并行机上的选择是随机的，剩下的炉次在并行机选择时，基于机器最早可用规则进行分配，通过多缓冲区的缓存能力进行修改，保证连浇连铸前提下，使得各阶段的成批生产、各工序机器闲置时间的最小化，初定该浇次各炉次在每个阶段的开始与结束时间，确定出以下三个信息：（1）各炉次在各阶段的机器分配，（2）各炉次在每个阶段的任务排序，（3）各阶段任务的开始和结束时间。第二阶段，运用第一阶段得到的浇次内各阶段的信息，将当前浇次信息追加到当前调度方案后面，然后把整块信息向前推，直到第一台设备出现冲突为止。由于当前浇次的铸机序号有可能与前浇次相同，考虑到连浇连铸阶段相邻的浇次间必须保证足够的准备时间用来替换中间包这一约束，进行判断选择，若铸机序号相同，再检查相邻加工时间间隔是否满足约束，若不符合，则运用多缓冲区的缓冲能力对时间进行调整，最后得出最优浇次序列和最小化最大完工时间，若符合可直接输出；若铸机序号不同，直接进行输出。
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2求解方法
2.1浇次内各炉次的机器分配及任务排序
在确定浇次内每个炉次的分配和排序规则时，先根据启发式规则，在满足约束条件下优先选择最早闲置并行机的原理初步确定该浇次内各阶段完工时间，再通过缓冲区进行压缩，获得当前浇次各阶段的完工时间。
2.1.1浇次内各炉次的开始和结束时间
不同于一般混合流水车间，炼钢连铸必须要求在同一浇次内各炉次必须连浇连铸。为了简化约束，采用回溯法进行倒排，先保证最后阶段成批生产后再考虑混合流水车间的其他一般性约束，具体思路如下：（1）由于炼钢连铸具有多并行机的复杂工艺，同时一个浇次必须保证在同一台铸机上连浇，若采用正排，会使得炉次分配更加复杂，后续约束变多，故采用回溯法倒排。此时，连铸CC段变成第一道工序，炉次分配时，可保证CC段连浇连铸，再基于启发式规则，对每个炉次逐一倒排，并在EAF段和AOD段的机器分配中，保证浇次内各炉次满足混合流水车间的一般约束的条件下优先选择最早闲置的并行机。（2）经过上述倒排的结果虽然能得出当前浇次内最大完工时间，但不能得出每个阶段的详细时间数据，故将上述结果整体进行翻转，求在正常工艺的情况下各阶段开始与结束时间。根据流水车间特性，保证每炉在每个阶段加工时间不变的情况下将工艺整个翻转，此时，倒排中炼钢阶段最后一炉变成正常工序的第一炉，进而推算出在各个工序阶段上，每一炉次的开始时刻和结束时刻。同一个浇次内，各炉次在翻转前后的最优排产情况。
2.1.2缓冲区时间调整
根据浇次在正常排列结果可知，当前浇次内各炉次已经满足工艺约束，且各阶段的开始与结束时间基本确定，但此时没有考虑到缓冲区的储存能力，机器加工中的间隔时间过大，生产过程不紧凑。为此，基于最早空闲机器优先规则和最短加工时间为目的，对各阶段加工时间和完成时间进行调整，设计的缓冲区的分配方法，来提高设备利用率，
2.2浇次间压缩规则
浇次间压缩规则是根据缓冲区不同类别，对各个阶段上炉次的开始时间进行压缩。两个相邻浇次间的排序在满足CC阶段铸机有足够的准备时间等约束条件下，根据缓冲区不同的时间调配原理改变各炉次在各阶段的时间分配，最后完成各浇次中全部炉次的定时。具体方法如下：先假定某两个相邻的浇次序号为1、2，浇次2是紧跟在浇次1后面，然后将浇次2放在浇次1后的不远处。此时，若两个相邻浇次的连铸阶段在不同的铸机上加工，如图5所示。则无需考虑连铸阶段的时间间隔，直接将浇次2整体往左平移（移动距离为各阶段浇次2开始时间与浇次1结束时间差值中的最小值），直至移动到某一位置时，浇次2与浇次1的所有阶段上，即将发生首次重叠，此时记为浇次2各阶段开始时间的下界。若两个相邻浇次的连铸阶段在同一台铸机上加工，则先按照上面的规则进行排列，再检查连铸阶段的时间间隔Δt1。若Δt1大于准备时间Ps（60min），即满足铸机的准备时间约束，无需进行调整，浇次2的开始时间达到下界，可继续下一个浇次排列；若Δt1小于准备时间Ps，不满足约束条件，则将浇次2的连铸阶段所有工序整体后移，其余的阶段通过三个缓冲区的缓存能力进行调整，使得各阶段完成时间相对最小。
结语
炼钢连铸一直是钢铁制造中最重要的工艺流程，多并行机的炼钢连铸生产调度问题的研究能更好的对车间现场生产调度进行指导。针对多并行机的炼钢连铸问题，提出两阶段方法对浇次内和浇次间分别运用缓冲区进行调控。
参考文献
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[2]李铁克,周健,孙林.连铸连轧和冷装热轧并存环境下的炼钢-连铸生产调度模型与算法[J].系统工程理论与实践,2006,(6):117-123.
[3]郑鹏，唐秋华，张启敏.基于离散粒子群算法的炼钢连铸生产调度［J］.机械设计与制造，2016（7）：49-52.
论文作者:洪欣
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/2
标签：阶段论文; 连铸论文; 时间论文; 缓冲区论文; 钢水论文; 转炉论文; 分配论文; 《工程管理前沿》2019年第07期论文;