熱軋噸鋼電耗預(yù)測(cè)模型建立及應(yīng)用

黃玉龍，吳 悅，陳 創(chuàng)

(1.寶鋼股份產(chǎn)品發(fā)展部 上海 200941;2.寶鋼股份熱軋廠，上海 200941)

0 引言

軋鋼廠實(shí)行節(jié)能降耗是降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑，熱軋噸鋼電耗作為熱軋工序能耗之一，是一項(xiàng)體現(xiàn)軋鋼綜合能耗的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為了做好熱軋生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能降耗工作，除了減少設(shè)備空轉(zhuǎn)和加強(qiáng)用電管理外[1]，更應(yīng)從軋制鋼材的工藝技術(shù)要求、產(chǎn)品規(guī)格等方面人手，深入探討影響噸鋼電耗的內(nèi)在因素及其變化規(guī)律。采用熱軋噸鋼電耗模型可以分析這些因素和規(guī)律，但是影響噸鋼電耗的因素較多而且相互間存在著相關(guān)性，電耗模型采用主成分分析方法可以對(duì)輸入變量中的信息重新進(jìn)行綜合篩選，從中選取具有最佳解釋能力的新綜合變量，用它們進(jìn)行回歸建模，可以在分析與解決問(wèn)題中得到較滿(mǎn)意的效果。

本文將以寶鋼熱軋廠某一生產(chǎn)線為例，采用生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究并以此建立噸鋼電耗回歸模型。

1 噸鋼電耗的影響因素分析

該機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程涵蓋了板坯庫(kù)、加熱爐、粗軋、精軋、卷取及運(yùn)輸鏈，同時(shí)對(duì)于能源公輔系統(tǒng)耗電也包含在內(nèi)。因此對(duì)于某一機(jī)組完全采用從生產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行分析和研究相對(duì)較難。但是該生產(chǎn)線配備了能源分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)組過(guò)程配備的電度表，按照區(qū)域統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)所消耗的電能情況，為統(tǒng)計(jì)分析電耗情況提供了良好的數(shù)據(jù)。

根據(jù)熱軋生產(chǎn)的特性，可能影響噸鋼電耗的與產(chǎn)品相關(guān)的因素有產(chǎn)品寬度、厚度、硬度組、側(cè)壓量、小時(shí)產(chǎn)量以及日歷作業(yè)率等參數(shù)。采用生產(chǎn)過(guò)程原始數(shù)據(jù)，對(duì)各可能影響因素進(jìn)行了一元非線性回歸分析，確定關(guān)鍵影響因素。

1.1 成品厚度對(duì)噸鋼電耗的影響

產(chǎn)品厚度對(duì)電耗的影響關(guān)系如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品厚度與噸鋼電耗的關(guān)系圖

從圖1中可以看出，在其他條件相同的情況下(如鋼種、寬度、側(cè)壓量等)，產(chǎn)品厚度與噸鋼電耗的關(guān)系為非線性關(guān)系。隨著產(chǎn)品厚度的增加，熱軋工序噸鋼電耗呈下降趨勢(shì)，且隨著厚度進(jìn)一步的增加，噸鋼電耗下降趨勢(shì)將變化不明顯，但是產(chǎn)品厚度小于4.5 mm以下時(shí)對(duì)噸鋼電耗影響較大。

產(chǎn)品厚度對(duì)噸鋼電耗的影響原理主要體現(xiàn)在將一定厚度的板坯加工到較薄的成品卷，在減薄變形的過(guò)程中需要較大的變形功，而這變形功主要靠消耗電能來(lái)實(shí)現(xiàn)。成品厚度越小，其需要的變形功越大，進(jìn)而消耗的電能越多。

1.2 成品帶鋼硬度對(duì)噸鋼電耗的影響

成品帶鋼硬度是指表征帶鋼加工難易程度的一種數(shù)字代碼，其反映帶鋼碳當(dāng)量的一個(gè)指標(biāo)。成品硬度組對(duì)電耗的影響如圖2所示(橫坐標(biāo)中對(duì)硬度值進(jìn)行了放大處理)。

從圖2中可以看出，隨著產(chǎn)品硬度的增加，其噸鋼耗電量也增加。對(duì)低硬度組帶鋼而言，由于成品帶鋼硬度值變化不大，所以噸鋼電耗相應(yīng)變化較少，主要是由于在該區(qū)域(硬度＜2)主要是低碳鋼，帶鋼變形抗力整體相差不大。但當(dāng)硬度值繼續(xù)增加后，由于其反映的變形抗力顯現(xiàn)比較突出，所以對(duì)噸鋼電耗的影響相應(yīng)較明顯。

圖2 成品帶鋼硬度與噸鋼電耗的關(guān)系圖

1.3 其他影響因素分析

軋線小時(shí)產(chǎn)量為表征單位小時(shí)內(nèi)所生產(chǎn)的帶鋼重量。

日歷作業(yè)率是表征生產(chǎn)線生產(chǎn)勞動(dòng)效率。該指標(biāo)包含了故障情況，因此對(duì)于非生產(chǎn)情況下電耗的消耗也進(jìn)行了考慮。

平均寬度是表征一段生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)帶鋼寬度的平均值。平均寬度對(duì)噸鋼電耗的影響主要體現(xiàn)在寬度的增加使得接觸面積增加，從而需要消耗更多的電能來(lái)達(dá)到目標(biāo)寬度。

軋制單重是表征平均每卷帶鋼的平均重量。軋制單重對(duì)噸鋼電耗的影響主要體現(xiàn)在單重越大，其帶鋼長(zhǎng)度將越長(zhǎng)，進(jìn)而需要更多的電能。

用同樣方法，對(duì)軋線小時(shí)產(chǎn)量、平均寬度、軋制單重以及日歷作業(yè)率等因素也進(jìn)行了相應(yīng)的回歸分析，如圖3所示。

圖3 軋線小時(shí)產(chǎn)量、平均寬度、軋制單重以及日歷作業(yè)率與噸鋼電耗的關(guān)系圖

成品厚度、成品硬度、軋線小時(shí)產(chǎn)量、平均寬度、軋制單重以及日歷作業(yè)率等參數(shù)與產(chǎn)品噸鋼電耗的單一相關(guān)性系數(shù)如圖4所示。從圖中可以看出，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的相關(guān)性基本上與定性分析相吻合，即各因素對(duì)最終噸鋼電耗都有影響，同時(shí)從P檢驗(yàn)看，P值＜0.05，說(shuō)明假設(shè)檢驗(yàn)是正確的，即各影響因素與噸鋼電耗具有相關(guān)性。

表1 各影響因素與噸鋼電耗相關(guān)性圖

表2 噸鋼電耗逐步回歸結(jié)果分析

表3 噸鋼電耗逐步回歸結(jié)果

2.1 回歸與建模

以產(chǎn)品噸鋼電耗為自變量，利用上述影響因素對(duì)電耗的影響關(guān)系，采用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了多元逐步回歸分析[2－3](如表 2)，通過(guò)逐步回歸最終從六個(gè)控制因素中篩選出與噸鋼電耗相關(guān)性最強(qiáng)的四個(gè)相關(guān)因素，分別為:小時(shí)產(chǎn)量x1、日歷作業(yè)率x2、平均軋制厚度x3和硬度組x4(如表3)，得到熱軋噸鋼電耗的預(yù)測(cè)模型

從式(1)可以看出，噸鋼電耗與小時(shí)產(chǎn)量、日歷作業(yè)率以及平均厚度成反比關(guān)系，即小時(shí)產(chǎn)量越高、日歷作業(yè)率越高和厚度越厚，其電耗越低;與帶鋼硬度組成反比，即硬度越高，電耗越大，表明其變形越難，需要消耗更多的電能來(lái)完成。

3 模型精度的評(píng)價(jià)

由于該模型是采用現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到，因此其應(yīng)該適用所有產(chǎn)品，重新選取23組歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)模型計(jì)算得到單電耗預(yù)測(cè)，將其與實(shí)際單電耗進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

由圖4可見(jiàn)，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值兩條曲線吻合的較好，其中預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的最大絕對(duì)誤差為3.3%，最小絕對(duì)誤差值為 0.3%，平均誤差為1.4%?？梢?jiàn)回歸預(yù)測(cè)模型具有很好的精度與預(yù)測(cè)較果。

4 結(jié)論

(1)熱軋工序中噸鋼電耗雖然影響因素較多，但是通過(guò)逐步回歸篩選出相關(guān)性最強(qiáng)的四個(gè)相關(guān)因素，分別為:小時(shí)產(chǎn)量、日歷作業(yè)率、平均軋制厚度和硬度組。

(2)通過(guò)逐步回歸得出的熱軋噸鋼電耗與噸鋼電耗實(shí)際吻合度較高，基本能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)能耗的預(yù)測(cè)。

[1]馬新家，康健.應(yīng)用相關(guān)分析法:加強(qiáng)能源管理工作[J].節(jié)能技術(shù)，1997(6):23 －24，31.

[2]王惠文，孟潔.多元線性回歸的預(yù)測(cè)建模方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4).

[3]王勇，黃國(guó)興，彭道剛.帶反饋的多元線性回歸法在電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008(1).