一种基于切割子模式的多坯料多合同切割投料方法

技术领域

本发明属于钢管轧制生产领域，具体涉及一种基于切割子模式的多坯料多合同切割投料方法。

背景技术

无缝钢管是一种非常重要的工业材料，广泛应用于石油、化工、锅炉、电站、船舶、机械制造、汽车、航空、航天、能源、地质、建筑及军工等各个领域。钢管轧制工序中，铸坯切割方案的选择对生产效率以及成材率等关键指标影响显著。但在大批量集中生产模式下，钢管经过合同组批后，连铸坯长度一般都符合钢管轧制表要求，即铸坯按照轧制表定义长度进行切割生产，基本满足最大生产效率以及成材率的要求。但在多品种小批量、合同对应的非定尺产品也日趋增多的生产现状下，铸坯长度很难同时满足所有合同的最佳生产要求。因此，在坯料、合同多对多(即同一材质下多种规格的坯料和多种轧制要求的合同进行匹配)的情况下，如何对库存坯料切割以及下料以提高产能和成材率，是现场面临的一个实际问题。

多对多切割下料优化问题可描述为：现有N个轧制要求不同的合同，M种长度不一的铸坯，对于N中合同i，从M中选择多少根铸坯j以及铸坯j在热轧制前第一次如何切割，使得最终的切割方案在满足合同需求、生产约束的同时，原料成材率和生产效率最大。

在以往研究中，铸坯切割问题常被当做一维下料问题进行处理，即将若干不同长度的原料，切割成不同长度、不同数量的短料，使得在满足需求的前提下，原料利用率尽量高。

然而，这种方法存在着以下局限性：一是需要提前确定不同L2坯料的长度和相应数量，即在实际的铸坯切割问题中，要先确定同一类型中每个合同对应坯长的计划根数，才能作为一维下料问题进行处理，这就限制了合同对应的坯长只能是轧制表提供的计划坯长或其他固定组合，不能根据铸坯长度进行灵活变动以进一步提升成材率；二是用组合优化的方法对所有合同所需的管坯进行组合生产，会导致计算结果存在一根原料供应多个合同的情况，大大增加了现场调度的难度，可能导致现场无法连续排产，降低生产效率；三是由于第一点限制，确定了管坯长度，无法借助非定尺合同(交货长度可以是指定范围内的任意值)来灵活地提高原料的整体成材率。

发明内容

为实现实际生产中多对多切割下料计划的自动编制以及对原料综合成材率和产能的提高，本发明提出一种基于切割子模式的多坯料多合同切割投料方法。方法通过从合同要求的成品逆推计算L2铸坯的可行长度，建立可行切割子模式集合，再利用切割子模式对不同长度铸坯进行切割组合，得到原料成材率和生产效率最大的最佳切割方案，而最终多坯料多合同的切割投料优化就对所有的最佳切割方案进行排序，逐个编排，保证编排结果能够在满足合同需求的同时原料成材率和生产效率最大化。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于切割子模式的多坯料多合同切割投料方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：计算合同的轧制锯切标准、修正工序长度限制，并根据合同是否为特殊情况修正轧制标准；具体为：

根据合同及轧制表信息，计算合同的轧制锯切标准，包括各道工序上的长度损耗、按计划坯长轧制锯切的切割子模式；所述切割子模式为L2坯长在后续生产中经轧制、切头尾、锯切、切定尺得到成品的过程中涉及的参数的组合；所述L2坯长为在实际生产中由原料经第一次切割所得的管坯长度；

根据坯料材质和成品类型修正各自合同的工序长度限制；

对于每个合同，核对合同是否为以下情况，若是，进行相应的处理：

首先判断合同是否为冷拔无缝或冷轧无缝合同，若是，则将此类合同上的冷轧后的成品长度作为交货长度，在此类合同的热轧生产过程中用锯切长度作为此类合同的辅助交货长度；

然后判断计划坯长的切割子模式中剩余长度/锯切长度的比值是否大于等于0.9，若是：将剩余长度设为0，增加1个锯切长度来反推计算L2坯长；若反推得到的L2坯长满足工序长度限制，据此修改计划坯长，并重新计算所述合同轧制锯切标准的参数；若反推得到的L2坯长不满足工序长度限制，则仍按照轧制表提供的原计划坯长为准；

最后判断计划坯长的切割子模式中剩余长度是否为：当锯切长度为n倍尺时，剩余长度/锯切长度的比值小于

同的计划坯长的成品个数及合同需轧制的辅助交货长度的总长度；

步骤二：计算每个合同L2坯长的可行范围；

将机器对各工序的长度限制以及最大最小坯长的限制折算为与L2坯长相同管坯截面积的长度，取所有长度的并区间为L2管坯长度的可行范围，记为L2

步骤三：逆推每个合同的可行切割子模式；

步骤四：对于不同合同下每种同材质不同长度的铸坯，若铸坯为所在库位的主要铸坯，则先对铸坯等分切割；当铸坯的库存数量或合同需要该铸坯的数量小于铸坯并行切割的最大数量，或成材率小于指定阈值时，采用k个正料坯长+1个余料坯长的方式进行切割，其中，k为正整数；计算过程中始终保留综合评价指标最高的切割方案，作为该合同下该铸坯的最佳切割方案，所述综合评价指标由利用率和生产效率加权计算得到；若铸坯为所在库位的非主要铸坯，以同库位中主要铸坯的正料坯长为标准进行切割；

步骤五：所有合同的所有铸坯的最佳切割方案以综合评价指标进行择优排序，按照所述排序确定最终所有合同的切割投料结果。

进一步地，所述步骤一中计算合同轧制锯切标准通过如下的步骤来实现：

(1)根据轧制要求和合同信息确定穿孔延伸系数K

其中，穿孔、空减、连轧、张减四道工序的延伸系数

所述第一次切割损耗SP12为机器第一次切割损耗的平均值；

所述切头尾余量SP23＝轧制表张减长度-轧制表有效长度；

所述锯切倍尺k

所述切定尺余量SP440的计算公式如下：

其中，l

所述辅助交货长度l

其中，

定尺合同的所述可行锯切长度l

(2)根据轧制表提供的计划坯长的有效长度l

l

l

其中，

(3)计算合同的需轧制l

进一步地，所述步骤三通过如下的子步骤来实现：

(3.1)对于定尺合同，遍历L2坯长可能生产的成品个数n

(3.2)对于非定尺合同，遍历L2坯长可能的成品个数n

定尺合同和非定尺合同的逆推计算公式为：

k

l

l

其中，n

进一步地，所述步骤四中主要铸坯的最佳切割方案计算方式通过如下的子步骤来实现：

(4.1)判断铸坯长度是否为计划坯长的整数倍，若是，直接等分切割成整数个计划坯长，利用下式计算该切割方案的综合评价指标，即为该铸坯关于该合同的最佳切割方案；

其中，x

若不是，且铸坯长度L

(4.2)遍历可能的等分个数N

①若是定尺合同，得到等分后的正料实际坯长L

②若是非定尺合同，得到等分后的正料实际坯长L

(4.3)若铸坯库存数量或合同所需数量不大于铸坯并行切割的最大数量，或最佳等分切割方案的成材率低于预设阈值时，遍历该铸坯的所有可能的长短搭配切割方案，按和步骤(4.1)相同的公式计算综合评价指标值，不断更新当前综合评价指标最高的切割方案，得到同时考虑等分切割和长短搭配切割的最佳切割方案；

定尺合同和非定尺合同确定长短搭配切割方案的方式为：

①若是定尺合同，从L

②若是非定尺合同，从L

进一步地，所述步骤五通过如下的子步骤来实现：

(5.1)对于N个合同、M个库位的主要铸坯N×M种最佳切割方案，按综合评价指标降序排序，结果为

(5.2)编排

(5.3)重复步骤(5.2)，直至合同全部被满足或铸坯剩余可用根数为0或遍历完所有切割方案。

本发明的有益效果为：

本发明可以有效地解决无缝钢管的实际轧制生产过程中多坯料多合同的切割投料问题。其中，逆推计算方法能够较为准确地计算出合同满足工序约束的所有切割子模式，包含着多种可行L2坯长，相比只采用计划坯长作为L2管坯的唯一长度，可以给铸坯提供更多切割组合，以提高原料成材率；对于非定尺合同更是可根据实际切割所得的坯长灵活确定其交货长度，保证坯料不浪费；同时，逆推计算考虑了锯切至成品工序的约束，避免了短尺的风险。本发明的铸坯切割组合方法能根据方便生产的实际管坯长度，以最接近且可得的切割子模式为标准计算原料成材率和生产效率的综合评价指标比现有的正推估算更加准确。

附图说明

图1是两阶段切割投料优化模型整体流程图；

图2是无缝钢管轧区生产流程示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明根据钢管轧制生产的阶段性建立了两阶段切割投料优化模型，方法的流程图如图1所示，可分为两个部分，第一个阶段是对切割优化阶段，解决在每个合同的轧制锯切条件下，每种铸坯第一次如何切割，使得成材率和生产效率最大的问题；第二个阶段是投料优化阶段，解决不同轧制锯切条件的合同与不同长度的铸坯原料之间如何匹配选料，可使得总体成材率和生产效率最大的问题。图2展示了无缝钢管轧区生产流程中管坯的各个阶段，L1-L2阶段即为从电炉或转炉出来的铸坯切割成中间长度的L2管坯的过程，L2管坯经加热、穿孔、空心减径、连轧、张减等过程轧制为更加细长的钢管，然后经切头尾、冷锯分段成为多个锯切长度，锯切长度再切头尾、切定尺为成品管。

本发明的方法具体步骤如下：

步骤一：计算合同的轧制锯切标准、修正工序长度限制，并根据合同是否为特殊情况修正轧制标准；

(1.1)根据合同及轧制表信息，计算合同的轧制锯切标准，包括各道工序上的长度损耗、按计划坯长轧制锯切的切割子模式；所述切割子模式为L2坯长在后续生产中经轧制、切头尾、锯切、切定尺得到成品的过程中涉及的参数的组合；所述L2坯长为在实际生产中由原料经第一次切割所得的管坯长度；具体为：

①根据轧制要求和合同信息确定穿孔延伸系数K

其中，穿孔、空减、连轧、张减四道工序的延伸系数

所述第一次切割损耗SP12为机器第一次切割损耗的平均值，这里假设取为0.01m/刀；

所述切头尾余量SP23＝轧制表张减长度-轧制表有效长度；

所述锯切倍尺k

所述切定尺余量SP440的计算公式如下：

其中，l

所述辅助交货长度l

其中，

所述可行锯切长度的计算公式如下：

②根据轧制表提供的计划坯长的有效长度l

l

l

其中，

③计算合同的需轧制l

(1.2)根据坯料材质和成品类型修正各自合同的工序长度限制，对于特殊用途或特定材质的铸坯，其加工时的工序长度有着更严格的限制，因此需要修正使用这种材质的合同的对应工序长度限制；

(1.3)对于每个合同，核对合同是否为以下情况，若是，进行相应的处理：

①首先判断合同是否为冷拔无缝或冷轧无缝合同，若是，则将此类合同上的冷轧后的成品长度作为交货长度，此类合同的热轧生产过程中用锯切长度作为此类合同的辅助交货长度；

②然后判断计划坯长的切割子模式中剩余长度/锯切长度的比值是否大于等于0.9，此种情况是因为现场将锯切长度由多倍尺改为了单倍尺，容易造成短尺，因此若是，需要：将剩余长度设为0，增加1个锯切长度来反推计算L2坯长；所述L2坯长为在实际生产中由原料经第一次切割所得的管坯长度；

若反推得到的L2坯长满足工序长度限制，据此修改计划坯长，并重新计算所述合同轧制锯切标准的参数；若反推得到的L2坯长不满足工序长度限制，则仍按照轧制表提供的原计划坯长为准；

③最后判断计划坯长的切割子模式中锯切长度为n倍尺时，剩余长度/锯切长度的比值是否小于

步骤二：计算每个合同L2坯长的可行范围；

将机器对各工序的长度限制以及最大最小坯长的限制折算为与L2坯长相同管坯截面积的长度，取所有长度的并区间为L2管坯长度的可行范围，记为L2

步骤三：逆推每个合同的可行切割子模式；

(3.1)对于定尺合同，遍历L2坯长可能生产的成品个数n

(3.2)对于非定尺合同，遍历L2坯长可能的成品个数n

定尺合同和非定尺合同的逆推计算公式为：

k

l

l

其中，n

步骤四：对于不同合同下每种同材质不同长度的铸坯，若铸坯为所在库位的主要铸坯，则先对铸坯等分切割；当铸坯的库存数量或合同需要该铸坯的数量小于铸坯并行切割的最大数量，或成材率小于指定阈值时，采用k个正料坯长+1个余料坯长的方式进行切割，其中，k为正整数；计算过程中始终保留综合评价指标最高的切割方案，作为该合同下该铸坯的最佳切割方案，所述综合评价指标由利用率和生产效率加权计算得到；若铸坯为所在库位的非主要铸坯，以同库位中主要铸坯的正料坯长为标准进行切割；其中，主要铸坯的最佳切割方案的计算方式具体为：

(4.1)判断铸坯长度是否为计划坯长的整数倍，若是，直接等分切割成整数个计划坯长，利用下式计算该切割方案的评价指标，即为该铸坯关于该合同的最佳切割方案；

其中，x

若不是，且铸坯长度L

(4.2)遍历可能的等分个数N

①若是定尺合同，得到等分后的正料实际坯长L

②若是非定尺合同，得到等分后的正料实际坯长L

(4.3)若铸坯库存数量或合同所需数量不大于铸坯并行切割的最大数量，或最佳等分切割方案的成材率低于预设阈值时，遍历该铸坯的所有可能的长短搭配切割方案，按和步骤(4.1)相同的公式计算综合评价指标值，不断更新当前综合评价指标最高的切割方案，得到同时考虑等分切割和长短搭配切割的最佳切割方案；

定尺合同和非定尺合同确定长短搭配切割方案的方式为：

①若是定尺合同，从L

②若是非定尺合同，从L

步骤五：所有合同的所有铸坯的最佳切割方案以综合评价指标进行择优排序，按照所述排序确定最终所有合同的切割投料结果。具体为：

(5.1)对于N个合同、M个库位的主要铸坯N×M种最佳切割方案，按综合评价指标降序排序，结果为

(5.2)编排

(5.3)重复步骤(5.2)，直至合同全部被满足或铸坯剩余可用根数为0或遍历完所有切割方案。

实施例

以下结合一个具体的实际生产中多坯料多合同切割投料实施例来说明本发明。

某次实际生产中有5个同种材质的合同，轧制锯切要求不同，合同情况如表1所示。库存中有7个库位的铸坯，具体如表2所示。

表1：合同情况

表2：同材质原料库存情况

由于定尺合同和非定尺合同的计算逻辑基本一致，唯一的区别在于两者的辅助交货长度不同，前者为固定值，后者为可变区间，进而后者对应的锯切长度、有效长度、L2坯长均为可变区间。以第1个合同为例说明单个合同的最佳切割方案的计算过程。

(1)计算合同轧制锯切标准、修正工序长度限制及轧制标准修正，按技术方案的步骤一计算，得到合同1修正后的轧制锯切标准如表3所示。

表3：合同1修正后的轧制锯切标准

(2)计算合同L2坯长的可行范围。对于合同1，折算得到L2坯长的可行范围L2

(3)逆推合同的可行切割子模式。按照技术方案的步骤三中非定尺合同的计算方式，计算合同1的可行切割子模式，得到如表4所示的切割子模式集合。

表4：合同1的可行切割子模式集合

(4)确定7个库位中7种主要铸坯在合同1下的最佳切割方案，以及非主要铸坯按同库位的主要铸坯的正料坯长进行切割。主要铸坯的切割方案由步骤四计算得到，设定等分的切割方案为最佳切割方案的综合评价指标阈值为0.8，铸坯并行切割的最大数量为8根，即当铸坯库存数量或合同所需数量不大于8根，或最佳等分切割方案的成材率低于0.8时，才计算铸坯的长短搭配切割的方案；非主要铸坯则以同库位中主要铸坯的正料坯长为标准进行切割。得到如表5所示的所有铸坯的最佳切割方案和综合评价指标，这里综合评价指标中的加权因子θ＝0，即只考虑原料成材率最大化。

表5：所有库存铸坯关于合同1的最佳切割方案及成材率

(5)库存坯料在其他4个合同下的最佳切割方案的计算与上面合同1的计算举例一样，得到7×5＝35种主要铸坯的最佳切割方案。按步骤五，将35种主要铸坯的方案以成材率由高至低排序，逐个编排最佳切割方案涉及的合同和铸坯，确定每个合同使用哪种铸坯及需要的铸坯数量，直至合同全部被满足或铸坯剩余根数为0或遍历完所有切割方案。最终的切割投料结果为表6。从表6我们可以看到，合同1最终的切割投料结果为前3行数据，选择了库位2中的3根8.35m铸坯和库位3中的20根8.15m的主要铸坯+1根5.24m的非主要铸坯。

表6：最终切割投料结果

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。