鋼鐵廠鐵水鐵渣運輸組織優(yōu)化研究

王興仁

（1.西安交通工程學(xué)院交通運輸學(xué)院，陜西 西安 710399；2.西安交通工程學(xué)院軌道交通未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，陜西 西安 710399）

在鋼鐵廠內(nèi)，鐵路運輸是通過倒調(diào)廠內(nèi)的鐵水、鐵渣等物料，來保證燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等鋼鐵主業(yè)的有序進行。在國內(nèi)鋼鐵企業(yè)主業(yè)規(guī)模不斷擴大、自動化程度不斷提高的背景下，一些老廠區(qū)出現(xiàn)“高爐—煉鋼—軋鋼”廠房整體布局不合理及運輸能力緊張等問題。本文以酒泉鋼鐵集團公司老廠區(qū)（以下簡稱酒鋼廠）鐵水鐵渣運輸改進為例，優(yōu)化鐵路運輸組織，以期為同類項目作參考。

1 廠內(nèi)運輸現(xiàn)狀

1.1 鋼鐵主業(yè)工業(yè)流程

酒泉鋼鐵廠內(nèi)鐵路運輸是根據(jù)鋼鐵主業(yè)生產(chǎn)流程來進行的保產(chǎn)運輸。因此，先要對酒鋼鋼鐵主業(yè)的生產(chǎn)流程進行分析，如圖1所示。

由圖1可知，鋼廠采用先進的工藝流程、生產(chǎn)線及設(shè)備設(shè)施，按照此工藝流程來配套相應(yīng)的“高爐—煉鋼—軋鋼”廠房整體布局及鐵水、鋼水運輸方式，如圖2所示。

圖1 酒鋼鋼鐵主業(yè)工藝流程圖

廠內(nèi)的高爐區(qū)域、煉鋼區(qū)域、軋鋼區(qū)域通常布置緊湊，成“一”字形或“人”字形分布，運輸比較順暢，很少用鐵路機車進行調(diào)度作業(yè)，環(huán)節(jié)1和環(huán)節(jié)2分別是高爐生產(chǎn)出的鐵水和煉鋼廠生產(chǎn)出的鋼水的運送方式。

針對環(huán)節(jié)1（高爐和煉鋼廠間的鐵水運送方式），目前較先進且應(yīng)用較多的方法有兩種，一是高爐和煉鋼之間用過跨連接，高爐鐵水用吊車直接吊入煉鋼車間；二是高爐鐵鉤直接與煉鋼混鐵爐連接，鐵水直接流入混鐵爐。第一種方法的前提是高爐是小高爐，第二種方法中的高爐可以是大高爐。

在圖2環(huán)節(jié)2（煉鋼廠和軋鋼廠之間鋼水運送方式）采用連鑄連軋工藝，使煉鋼廠和軋鋼廠由兩個車間變成了一個車間［1-2］，這一技術(shù)的應(yīng)用將大大節(jié)省煉鋼廠的占地面積，并取消車間內(nèi)的鐵路調(diào)運作業(yè)，使生產(chǎn)更加順暢。

1.2 運輸現(xiàn)狀

在鋼鐵廠內(nèi)，鐵路運輸站的任務(wù)是做好5座高爐（1#、2#、3#、4#、7#）、3個煉鋼（煉軋廠煉鋼、碳鋼薄板廠煉鋼、不銹鋼煉鋼）、2座篩焦爐（1#、2#）的保產(chǎn)運輸任務(wù)，該運輸站內(nèi)的車場及分工見表1。

表1 站內(nèi)車場及分工

在圖2環(huán)節(jié)2中，碳鋼薄板廠、不銹鋼廠及煉軋廠都采用先進的生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備設(shè)施，和前文所述的工序類似，有些物料可用汽車進行短途運輸，無須進行鐵路調(diào)運作業(yè)，酒鋼生產(chǎn)的主要矛盾在環(huán)節(jié)1。

在圖2環(huán)節(jié)1中，用于鋼廠生產(chǎn)的3、4、5、6號高爐和碳鋼薄板廠車間緊挨著，用前文所述的第一種方法，即3、4、5、6號高爐生產(chǎn)的鐵水通過過跨，用吊車直接吊入到碳鋼薄板廠煉鋼車間，而其他三個高爐（1、2、7號）與煉鋼廠的距離較遠，鐵水通過機車進行倒調(diào)運輸，圖3為酒鋼7個高爐和3個煉鋼廠的整體布局及鐵水調(diào)運距離和調(diào)運時間分布圖。

圖2 現(xiàn)代化“高爐-煉鋼-軋鋼”布局圖

圖3 鐵水運往方向

圖3中d為火車調(diào)運距離（km）；t為調(diào)運時間（min）；箭頭為鐵水運送方向。目前，1、2、7號高爐生產(chǎn)的鐵水由鐵水灌承載用火車按就近原則調(diào)運至各個煉鋼車間（即7#高爐生產(chǎn)的鐵水一般運往碳鋼薄板廠的煉鋼車間，1#、2#高爐生產(chǎn)的鐵水運往煉軋廠和不銹鋼廠煉鋼車間）。受酒鋼“高爐-煉鋼”廠房的整體布局和高爐工藝限制，除運送鐵水外，還得用機車運送1、2、3、4號高爐生產(chǎn)的鐵渣（5、6、7號高爐為水沖渣，用汽車進行運輸）。目前，鋼廠內(nèi)高爐保產(chǎn)共用機車16臺。其中，鑄鐵區(qū)共使用4臺機車，1號高爐南、北場陪伴出鐵各1臺，2號高爐陪伴出鐵1臺，煉軋廠鋼渣調(diào)運翻卸1臺；煉鐵站使用12臺機車，不銹鋼、碳鋼薄板廠的鋼渣調(diào)運翻卸各1臺，1號高爐陪伴出渣1臺，2號高爐南、北場陪伴出渣各1臺，3、4號高爐倒調(diào)渣灌1臺，7號高爐南、北、西場陪伴出鐵各1臺，其余3臺均為鐵渣上渣場翻卸用車，高爐保產(chǎn)運輸一線職工約500人。

1.3 瓶頸分析

造成“高爐-煉鋼”廠房整體布局不合理及鐵路運輸緊張的原因有3方面：一是鋼廠煉鐵工序建成時間較早，而現(xiàn)代化煉鋼工序和軋鋼工序是后期新建項目，廠區(qū)整體規(guī)劃布置及運輸方式跟不上生產(chǎn)工序的改進，這是歷史遺留問題；二是高爐工藝比較落后，現(xiàn)代新型高爐的鐵渣處理采用的是水沖渣，目前僅有5、6、7號高爐為水沖渣，而1、2、3、4號高爐為熱渣，要通過鐵路進行運送；三是廠內(nèi)鐵路設(shè)備落后，自動化程度低，運輸組織有待優(yōu)化。

2 優(yōu)化措施

2.1 減少倒調(diào)作業(yè)

通常情況下，原有1號高爐出一次鐵要有7個渣罐、2臺機車進行陪伴作業(yè)。在經(jīng)過大修后，將1號高爐鐵渣改為水沖渣，然后用汽車進行運輸即可，可減少兩臺作業(yè)機車，且拆除原有倒渣線路，將直接減輕鐵路運輸?shù)呢摀?dān)。2號高爐通常情況下出一次鐵需配5個渣罐，在將鐵渣改成水沖渣后，可減少作業(yè)機車2臺。

碳鋼薄板廠爐渣通過渣罐車運往爐渣跨，用起重機將渣罐吊至火車上，要用1臺機車進行倒調(diào)并運至渣場，會與3、4號高爐的倒渣作業(yè)形成交叉進路，不利于安全作業(yè)。碳鋼薄板廠可建成爐渣就地處理回收系統(tǒng)，爐渣在其廠房側(cè)旁進行回收處理，這樣不僅減少1臺機車作業(yè)，還避免與3、4號爐倒渣形成交叉作業(yè)。

2.2 均衡機車使用效率

根據(jù)鐵水鐵渣的流向和流量，詳細分析調(diào)車作業(yè)的可轉(zhuǎn)嫁性，將一些可轉(zhuǎn)嫁的調(diào)車運輸作業(yè)從負荷較重的機車轉(zhuǎn)向負荷相對較輕的機車［3］，使所有機車的作業(yè)繁忙程度大體相同，如果出現(xiàn)運量無法調(diào)整且運力難以保證的情況時［4-5］，可視情況增加機車的數(shù)量，從而確保作業(yè)任務(wù)能及時完成，提高作業(yè)計劃的兌現(xiàn)率。

2.3 建立智慧調(diào)度系統(tǒng)

目前，所有的調(diào)車作業(yè)計劃都是由車站調(diào)度員根據(jù)經(jīng)驗進行編制的，而現(xiàn)場作業(yè)則處于動態(tài)變化的過程中，因此應(yīng)用信息化技術(shù)對其進行優(yōu)化，便于管理，且能防止在鐵水鐵渣運輸調(diào)度系統(tǒng)中出現(xiàn)沖突。該系統(tǒng)以鐵水鐵渣運輸網(wǎng)絡(luò)圖、最短路、進路選擇為基礎(chǔ)［6］，以統(tǒng)籌階段內(nèi)的所有調(diào)車作業(yè)為目標，通過調(diào)度算法來消除作業(yè)沖突，實現(xiàn)智慧調(diào)車。該系統(tǒng)主要由調(diào)度計劃、調(diào)車計劃、作業(yè)過程仿真、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等模塊構(gòu)成［7-8］。

2.4 改進設(shè)備

鐵路運輸作業(yè)涉及車、機、工、電、輛五大系統(tǒng)［9］，應(yīng)用設(shè)備的種類繁多，任何一項行車上的作業(yè)都要由多種設(shè)備來完成［10］。因此，通過采用先進的運輸設(shè)備，不僅能減少人員的勞動強度，還可提高作業(yè)速度和安全系數(shù)，使運輸作業(yè)能夠平穩(wěn)有序地高效運作。

2.4.1 自動摘鉤系統(tǒng)。調(diào)車員在高爐下進行作業(yè)時，如發(fā)生鐵水外濺或跑鐵現(xiàn)象，容易導(dǎo)致人員被灼傷。因此，可將傳統(tǒng)手動摘掛車鉤改造成自動摘掛車鉤。自動摘掛鉤裝置由信息傳感、動作執(zhí)行、動力驅(qū)動及系統(tǒng)控制組成，信息感知部分通過攝像頭、傳感器等設(shè)備來采集車鉤的狀態(tài)、運動速度等信息［11-12］；系統(tǒng)控制部分主要是對數(shù)據(jù)進行分析，并發(fā)送指令；動作執(zhí)行部分主要完成調(diào)整車鉤位置和摘掛鉤；動力驅(qū)動部分主要是給各系統(tǒng)單元提供動力。自動摘鉤系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 自動車鉤系統(tǒng)組成

2.4.2 機車無人駕駛系統(tǒng)。鋼鐵廠區(qū)內(nèi)的機車司機在鐵水鐵站的調(diào)運工作中，長時間處于粉塵、高溫、噪音的環(huán)境中，不僅影響作業(yè)效率，還對工作人員的安全造成威脅，因此有必要設(shè)計出機車無人駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理見圖5。該系統(tǒng)可分為上下兩部分。在上層系統(tǒng)中，首先對傳感器接收到的信息進行整合，接著通過處理器對數(shù)據(jù)進行算法分析，最后輸出相應(yīng)的機車指令（起動、停止、加減速等）；下層控制系統(tǒng)根據(jù)上層系統(tǒng)的指令來控制列車的運行，并將執(zhí)行情況實時反饋給上層系統(tǒng)，實現(xiàn)機車的無人化和智慧化控制。

圖5 機車無人駕駛系統(tǒng)

3 結(jié)論

隨著酒鋼鋼鐵主業(yè)工藝的技術(shù)革新，廠區(qū)鐵路的總圖設(shè)計及運輸組織方式也要不斷進行優(yōu)化。在廠區(qū)鐵路總圖設(shè)計方面，要用發(fā)展的眼光做出規(guī)劃，在設(shè)計中要根據(jù)廠區(qū)布置、地形地貌、外部協(xié)作、運輸組織等，來確定廠區(qū)內(nèi)鐵路建設(shè)的固定端和發(fā)展端，在規(guī)劃設(shè)計階段就做好高爐保產(chǎn)與鐵水鐵渣運能相匹配。在鐵水鐵渣智慧調(diào)度方面，通過應(yīng)用均衡機車、改進運輸設(shè)備（自動摘掛鉤系統(tǒng)、機車無人駕駛系統(tǒng)）等，實現(xiàn)對鐵水鐵渣的安全高效運輸，為鐵水鐵渣運輸向自動化、智能化方向發(fā)展提供參考。