不锈钢原料配料成本优化模型的研究及实现

赵小彦

（太钢不锈钢股份有限公司自动化公司，山西太原030003）

不锈钢原料配料成本优化模型的研究及实现

赵小彦

（太钢不锈钢股份有限公司自动化公司，山西太原030003）

针对不锈钢生产过程中现有的单工序配料方法无法优化全生产过程的入炉原料成本、原料成本偏高且可控性低等问题，基于不锈钢线生产厂设备参数约束、钢种生产规程约束、原料的化学成分及冶炼工艺机理，对不同工艺路线下包含多个生产过程的不锈钢原料配料进行统一建模和优化，并举例说明了模型的实现过程。系统运行实践表明，该模型可靠稳定、计算速度快，有效降低了不锈钢全生产过程的原料成本。

不锈钢生产工艺路线原料成本配料优化

近年来，钢铁行业面临持续下行压力，企业间竞争越来越激烈，优化原料结构，降低原料成本是企业降本增效、提升产品竞争力的主要手段。不锈钢生产是个包含多个工序的复杂生产过程，所使用的原料数量众多，原料市场价格波动快，目前企业的原料成本优化主要有两种方式，其一是通过人工经验或EXCEL工具进行粗略配料计算，这种方式面对大量实时变化的数据，原料配料无法做到准确、高效、最优，难以适应快速变化的市场行情。其二是工艺机理与数学模型相结合的单工序原料成本优化[1]，但这种单工序原料成本最优很难保证全生产过程的原料成本最优，原料成本仍有较大的挖掘空间。因此，在兼顾产品质量与技术需求的情况下，如何最大限度地降低原料成本是企业面临的难题。

本文对不同工艺路线下包含多个生产过程的不锈钢原料配料进行统一建模，并给出详细步骤，所建立的不锈钢原料成本优化模型是基于最优化单纯形算法实现的，现目前某钢厂已投入使用，取得了显著经济效益。

1 模型建立

不锈钢原料成本优化模型是以不锈钢线为原型建立的，不锈钢冶炼工艺路线为EAF-AOD和EAF，IIF-AOD。模型的基本思路是在满足钢种出钢成分合格的条件下，充分、合理利用不锈钢生产金属料，完成不锈钢配料生产，达到最小入炉原料成本[2]。模型主要根据不锈钢线生产厂设备参数约束、钢种生产规程约束、原料使用量约束、原料的化学成分及冶炼工艺机理，考虑不同的工艺路线，建立不锈钢原料成本优化的数学模型。

1.1 不锈钢冶炼工艺路线

1）EAF-AOD。EAF投入原料生成的钢水倒入AOD中进行冶炼至出钢，该路线包含两个生产工序，如图1所示。

图1 EAF-AOD生产工艺路线

2）EAF，IIF-AOD。出于节能环保的考虑，增加了与EAF并列的IIF，将原来在EAF中投入的部分原料调整为在IIF中投料，EAF和IIF生成的钢水均倒入AOD进行冶炼至出钢，该路线包含三个生产工序，如图2所示。

图2 EAF，IIF-AOD生产工艺路线

对于工艺路线EAF-AOD，将EAF的出钢处理为AOD的一种原料；对于EAF，IIF-AOD，将EAF

1.3 模型约束条件

1.3.1 出钢成分约束

设EAF的第S种出钢成分为w（S）EAF，出钢成分下限为w（S）EAFmin，出钢成分上限为w（S）EAFmax，相应地，该成分在AOD中的出钢为w（S）AOD，AOD对该成分的出钢下限为w（S）AODmin，出钢上限为w（S）AODmax。本模型只考虑铬、镍、铜、氮及部分稀有元素，残余元素磷、硫等通过原料和工艺控制[4]，因此，EAF的成分约束如公式（2）表示[5]，AOD的成分约束如公式（3）表示。和IIF的出钢处理为AOD的两种原料。

1.2 模型目标函数

假设共有m+n+t种原料参与生产配料。x1，x2，…，xm为EAF工序各原料的配比，其价格为c1，c2，…，cm；xm+1，xm+2，…，xm+n为AOD工序各原料的配比，其价格为cm+1，cm+2，…，cm+n；xm+n+1，xm+n+2，…，xm+n+t为IIF工序各原料的配比，其价格为cm+n+1，cm+n+2，…，cm+n+t。以配料总成本最低为目标，构成模型的目标函数为[3]：

式（2）中：w（S）xi为原料xi所含的成分w（S）；ys为EAF中成分w（S）的收得率。式（3）中：w（S）xm+i为AOD原料xm+i所含的成分w（S）；w（S）xm+n+i为中频炉原料xm+n+i所含的成分w（S）；ps，qs分别为AOD和中频炉中成分w（S）的收得率。

1.3.2 质量约束

由于设备出钢能力的限制，出钢质量应控制在某个区间范围内。公式（4）、公式（5）、公式（6）分别表示EAF、AOD和IIF的出钢质量约束。

公式（4）—公式（6）中：mEAFmin，mAODmin，mIFFmin分别为EAF，AOD及IIF的出钢质量下限；mEAFmax，mAODmax，mIFFmax分别为EAF，AOD及IIF的出钢质量上限。

1.3.3 原料配比约束

对于外购原料，配比无约束，但对于内部返回原料，配比是根据每月的废钢返回比、库存、厂间平衡等实际情况决定的，只能是某一个数值。

至此，式（2）—（6）构成目标函数式（1）的约束条件。由于该模型的目标函数是线性的，约束条件也可以转化为线性不等式，因此前述建立的不锈钢原料成本优化模型本质是一个线性规划问题[6]，本文采用单纯形法进行优化求解。

2 模型实现及应用效果

本模型由原料管理、钢种规程管理、标准配料模板管理、生产任务预计划和原料成本优化计算、人工输入设定点5个模块协同实现。其中，原料管理模块用于提供原料相关属性（化学成分、效益、价格等）信息；钢种规程管理负责提供钢种在不同厂、不同工艺路线下的成分约束信息（最小值和最大值）；标准配料模板是原料成本优化计算的依据，模板中规定了各工序的原料结构，各原料使用量的上下限约束；人工输入设定点负责设置模型计算所用的参数（废钢返回比、出钢质量等）；生产任务预计划和原料成本优化计算是核心，生产任务预计划能够根据上个月1到20号的实际产量乘以系数得到当月的预估产量，原料成本优化计算则根据最新标准配料模板中的原料信息，出钢质量约束及不同工艺路线的钢种规程建立模型并调用单纯形算法计算满足钢水成分要求的成本最小的配料结果。

在实际不锈钢生产中，每当执行新的生产任务计划或价格发生大幅变动时，入炉原料结构也必须随之做出相应调整，这时由工艺和成本预算人员启动原料成本优化计算模型，首先，进入人工输入设定点模块设置最新的废钢返回比，根据废钢返回比重新计算内部料的投入量，调整和修改外采原料的上下限约束后生成本次计算钢种使用的标准配料模板，建立新生产任务计划，调用原料成本优化计算模型计算得到该生产任务中所有钢种的最小成本原料配料结果。下面是某钢种使用该模型后的计算结果。某厂冶炼某钢种要求的出钢成分及出钢质量如表1所示。

表1 出钢成分及出钢质量要求

应用不锈钢原料成本优化计算模型得到的配料结果如表2所示，其对应的出钢成分和质量如表3所示。

表2 不锈钢原料成本优化模型计算结果

表3 出钢成分和出钢质量

从表3可看出，采用模型计算得到的投入量，得到的出钢成分和出钢质量完全满足生产工艺要求。模型优化方案比人工配比的原料方案原料成本同比减少了45.3元/t，达到了预期的优化效果。

3 结论

包含上述不锈钢原料成本优化模型的二级系统在某钢厂研发成功并投入运行。系统采用多客户端的C/S架构，服务器部署Oracle 11g数据库，所有原料分析、钢种工艺规程数据及模型参数统一存储于服务器的数据库表中，客户端配置DNS服务通过企业OA网络对服务器进行连接和访问。本系统具有以下特点：

1）通过对不同工艺路线下包含多个生产过程的不锈钢原料配料进行统一建模和优化，最大限度地降低了原料成本，保证了不锈钢全生产过程的原料成本最优。

2）结合资源库存和品种结构，配料模型求解引入数学规划方法，实现优化配比和成本测算，使公司炉料结构效益最大化，同时为公司快速决策提供依据。

3）系统运行实践表明，本配料模型计算速度快，达到了预期优化效果。

[1]曾新光.电炉冶炼不锈钢优化配料模型开发与应用[C]//中国金属学会2013年特钢年会论文集.大连：中国金属学会，2013：145.

[2]张鉴.炉外精炼的理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[3]孙文安，孙克斌，张强，等.基于线性规划的炼钢装炉最小成本控制[J].数学的实践与认识，2006（9）：158.

[4]王福谆，王建明.不锈钢熔炼的最低成本配料[J].中国铸机, 1995（4）：43. WANG Fu-zhun,WANG Jian-ming.Minimum material cost of stainlesssteelmelting[J].China FoundryMachinery&Technology, 1995（4）：43.

[5]朱宝晶.电炉炼钢配料工艺的研究[J].冶金标准化与质量，2008（1）：26.

[6]陈宝林.最优化理论与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

（编辑：苗运平）

Research and Realization of Charge M ixture Cost Optim ization M odel in Stainless Steel Production

ZHAO Xiaoyan
（Automatic Company,Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030003）

In the process of stainless steel production,the existing single process charge mixture method could not optimize the raw material cost of the whole production process,leading to higher raw materials cost and lower controllability for raw materials cost.The stainless steel charge mixture including multiple production processes with different process routes is unified modeling and optimized according to constraint rules for production equipment factory,chemical composition of raw material and melting process principles.Its implementation is illustrated.The operation of the system shows that themodel is reliable and converged quickly,and it can effectively reduce the costof raw materials in thewhole process of stainless steel production.

stainless steel production,process routes,materials cost,chargemisture optimization

TG142.72

A

1672-1152（2017）02-0028-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.11

2016-08-05

赵小彦（1979—），女，山西原平人，工程师，硕士，主要从事钢铁二级模型研发工作。