脱氧合金化计算模型在MES系统中的集成与应用

彭帅¹，林孝薇¹

（1.柳州钢铁股份有限公司，广西柳州，545000）

摘要：制造企业生产过程执行系统（MES），是面向钢铁企业执行层的一套信息化生产管理系统。该系统在服务于钢厂转型升级、全面提升钢厂制造管理水平、提升核心竞争力等方面提供了有力的支撑。在转炉炼钢过程中，合金化工艺是至关重要的一部分，需要准确计算合金加入方案，预测钢水合金化之后的成分，稳定脱氧合金化工艺，提高钢水质量。通常，转炉合金化操作依靠人工经验，按照钢种成分要求选择合金的种类和加入量。近年来，随着钢材质量和生产成本要求的日益提高，传统的人工加入合金调整钢水成分已经难以满足生产需要。因此，结合生产制造执行系统开发转炉脱氧合金化计算模型对投料进行控制势在必行。

关键词：MES系统；脱氧合金化；炼钢

1 引言

1.1 研究背景

脱氧合金化指在转炉炼钢过程中，加入各种合金物料，使得钢水成分符合工艺规定的范围。在合金化过程中，需要明确钢水目标成分，准确计算合金加入量、元素收得率等，从而制定合金加入方案，提高钢水质量，降低生产成本。钟丁媛等^【1】采用模糊线性规划法算法，建立了基于生产成本的合金配料方案优化模型，以HRB400B为例，降低了48.8%的生产成本。刘芳宇等^【2】采用线性规划的方法，优化了HRB400B的投料方案。苏庆等^【3】采用遗传算法对脱氧合金化成本优化进行了研究。

1.2 MES系统在钢厂中应用现状

本文主要聚焦于柳钢集团MES系统建设完成后，炼钢脱氧合金化管理模块的优化与二次开发。柳钢MES项目于2015年3月启动，项目实施前后两年半的时间，2017年9月验收通过。上线系统包括检化验系统、钢后MMS系统、炼钢PES系统、热轧中板PES系统、冷轧PES系统等。脱氧合金化管理模块是“钢后MMS系统-炼钢工艺卡”下的子模块，主要用于指导生产过程中炼钢脱氧合金化的投料种类与数量。该模块原设计为：线下计算，并人工维护数据到系统中。这种模式存在许多弊端，有优化改进的空间。下文介绍了优化改进的思路与应用效果。

2 开发与应用

2.1 建模方案

2.1.1 建模思路

在柳钢MES系统中，原有的模式需要线下手工计算，这样的计算方式有许多弊端：（1）手动录入信息容易出错，出现计算错误无法及时发现；（2）价格信息较为敏感，线下传输易出现信息泄露风险；（3）计算时只考虑到元素达到目标值，未考虑各合金加入带来的成本增加，易造成成本偏高的问题。针对以上问题，建立脱氧合金化计算模型，使计算过程线上化，减少了工艺管理人员的信息录入工作量，提高了数据安全性，同时可以降低生产成本。

脱氧合金化计算模型是基于现场的工况条件，根据铁合金的成分、价格、元素收得率以及冶炼钢种的成分控制要求，计算脱氧合金化工艺需要用的铁合金种类和加入量，以达到生产成本最低的目的。元素的增加量和元素的加入量是通过钢水净质量、元素的连铸正样、元素的转炉终点、含该元素的合金加入量计算得到。元素收得率的计算公式：Y = ((M₀+M_e)·R₁–M₀·R₀)/(m_y·M_e ) ，式中：Y为元素收得率，M₀为钢水净质量，R₁为元素的连铸正样含量，R₀为元素的转炉终点含量，M_e为含该元素的合金加入量，m_y为该元素在合金中的质量分数。脱氧合金化计算模型按照线性规划的方法建立，由决策变量（合金加入量）、目标函数（合金加入的成本最低）和约束条件（合金化后的钢水成分上下限要求）组成，使用单纯形法解线性方程组，即可得到冶炼钢种的合金最小成本加入方案。

2.1.2 模型原理

设：合金i的投料量是x_i ，合金i的价格是a_i，合金i的化学元素j的质量分数是h_ij ，合金i的化学元素j在钢水中的回收率是s_ij ，投料成本是Z，合金化后钢水化学元素j的质量分数下限要求是α_j，合金化后钢水化学元素j的质量分数上限要求是β_j ，钢水化学元素j的转炉终点残余质量分数是b_j 。

因此，投料成本： Z = ，(1)   

根据合金化后钢水成分上、下限要求可列方程组：

，(2)

联立方程组（1）（2）求出一组解，使得Z最小，即可得出转炉合金最小成本投料方案。

2.2 MES系统集成

2.2.1 建立基础信息库

建立合金基础信息库和冶炼钢种基础信息库，合金基础信息库包括：各合金的标准名称，合金各元素的含量、收得率，合金的价格等。冶炼钢种基础信息库包括：各钢种的代码、描述，元素控制范围，转炉冶炼终点残余值等。

2.2.2 建立计算模块

计算模块包括条件输入、规划求解。条件输入调用了合金基础信息库和冶炼钢种基础信息库的数据，条件输入包括：（1）铁合金的化学成分；（2）铁合金化学元素收得率；（3）铁合金价格；（4）参与计算的合金种类；（5）冶炼钢种的化学成分上、下限；（6）转炉终点残余元素含量。使用单纯形法对线性方程组求出最优解。

2.2.3 建立计算结果展示界面

计算结果展示页包括：最优合金加入方案与现行加入方案对比表，合金化后化学元素的增量、最终含量。对比表包括合金名称、合金加入量、合金化成本（见表1）。

2.3 应用情况

脱氧合金化计算模型开发完成并投用后，减少了工艺管理人员线下计算的工作量，提高了信息安全性。通过脱氧合金化计算模型对目前正在生产的钢种重新测算，对比得到了可优化的合金加入方案，并进行了试验，应用案例如下：

（1）案例一。某镇静钢的主要成分要求，w（C）：0.045%～0.074%；w（Si）：0～0.02%；w（Mn）：0.15%～0.25%；w（P）：0≈0.017%；w（S）：0～0.01%。通过模型测算，与原合金加入方案进行对比，可降低生产成本3元/吨（见表1）。

（2）案例二。某镇静钢的主要成分要求如下：w（C）：0.16%～0.18%；w（Si）：0～0.15%；w（Mn）：0.3%～0.4%；w（P）：0～0.025%；w（S）：0～0.008%；w（Ti）：0.037%～0.052%。通过模型测算，与原合金加入方案进行对比，一共可降低生产成本6.6元/吨（见表1）。

表1  计算结果展示界面表样

	物料名称	原方案/ (kg·t-1)	成本/ (元·t-1)	优化后方案/ (kg·t-1)	成本/ (元·t-1)
案例一	增碳剂（固定碳）	0.20	0.8	0.13	0.5
	高碳锰铁	0.00	0.0	1.54	11.7
	中碳锰铁	1.41	14.4	0.00	0.0
		总计	15.2	总计	12.2
案例二	增碳剂	1.22	4.9	1.02	4.1
	硅锰合金	4.59	37.7	0	0
	高碳锰铁	0	0	4.28	32.4
	钛铁（1）	1.83	23.7	0	0
	钛铁（2）	0	0	1.53	23.3

3 总结

通过MES系统集成脱氧合金化计算模型，在保证成本最低的前提下提高了合金加入量的准确性，且减少了测算的工作量。该模型投入使用后已测算超百种冶炼钢种的合金加入方案，累计降低生产成本超过1 000万元。下一步将考虑集成预测元素收得率功能，提高模型计算的准确性。

参考文献

• 钟丁媛,王全超.基于模糊规划的合金配料优化方案[J].中国金属通报,2020,(05):258-260.
• 刘芳宇,周毅,唐佳鑫,等.钢水“脱氧合金化”配料方案的优化[J].现代计算机,2019,(22):8-13.
• 苏庆,周泓机,邹立志.基于遗传算法的钢水“脱氧合金化”成本优化研究[J].河南科技,2019,(16):32-34.

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