第二章、文獻回顧
本文針對鋼鐵廠之生產特性，在已知訂單需求資訊下(鋼種、公稱尺 寸、數量、交期)，提出一套完善的「鋼鐵廠-軋鋼製程主生產排程規劃系 統」，取代目前人工之規劃方式，並做為生管規劃人員決策依據，使得訂 單變更時，也能快速規劃生產排程達到滿足顧客需求的目標。因此吾人將 針對以下幾個方向之文獻進行探討，以做為本論文研究之理論基礎。
(1) 鋼鐵製程介紹
(2) 煉鋼及軋鋼製程相關文獻 (3) 切割問題相關文獻
2.1、製程介紹
台灣鋼鐵製造業目前是以鐵礦砂為原料的高爐、轉爐生產及以廢鐵為 原料的電弧爐生產為主；生產廠家分為煉鋼廠、煉鐵廠及單軋廠三類型。
其製程分為煉鋼、軋鋼兩個主要製程[16]。
一、 煉鋼製程：將鐵礦砂或廢鐵透過高爐或電弧爐熔煉，再加入其它副 料精煉，以產生鋼液。將鋼液以連續鑄造機澆鑄至直模、曲模中，
產生所需規格的型鋼5或鋼板用胚。
二、軋鋼製程：將鋼胚放入加熱爐進行加熱至 1,150~1,250 度後，進行粗 軋、中軋、精軋等程序軋延並依照訂單需求的特定長度、數量進行 切割形成各類鋼製品。
透過 Tang et al.[11]及至鋼鐵製造廠實務訪談之資料，以下將針對煉 鋼、軋鋼製程中的各個工作程序進行更進一步的介紹，以便對鋼鐵相關 製程獲得更徹底的認識；鋼鐵廠生產流程如圖 2-1 所示。
5型鋼：即Ｈ型鋼，軋延機台可將Ｈ型鋼的鋼胚壓延至一定長度，並裁切出訂單
所需的長度規格。
圖 2-1：煉鋼、軋鋼製程流程圖[15]
煉鋼製程：
一、熔煉鐵水：鐵水熔煉具有兩種不同作業方式，分別為高爐與電爐熔煉。
兩者主要區別為高爐主要原料為鐵礦砂並利用煤碳產生熱能熔煉;電 爐主要原料為廢鐵並利用電力產生熱能熔煉；兩者所需搭配副原料也 有所不同。透過上述兩種不同熔煉方式，產生高達 1200 度以上的液態 鐵水。
二、粹取鋼液：將鐵水倒入精煉爐，並且加入影響鋼胚軋延長度的化學藥 物6進行精煉，粹取出碳含量在 0.02%以下的鋼液。
三、鋼液澆鑄：此程序又稱為連續鑄造。是指將整爐鋼液倒入連續鑄造機，
並依照所需生產鋼板或型鋼的鋼胚，倒入鋼板用胚的直模與型鋼用胚 的曲模，直至鑄模之鋼液凝固，即產出鋼板與型鋼的鋼胚。本文中主 要針對 H 型鋼產品做規劃，其 H 型鋼的鋼胚截面積大小即代表著鋼胚 的公稱尺寸，各類公稱尺寸整理如表 2-1 所示。
四、鋼胚切割：鋼液澆鑄之後，需裁切鋼胚。在粹取鋼液作業時，加入了 影響鋼胚壓延長度的化學藥物，形成不同鋼的種類（鋼種），使的各類 鋼胚有其一定壓延的可用淨長，如下圖 2-2。因此，可依各類鋼胚壓延 長度的限定，裁切所需的鋼胚長度。鋼胚在紅熱狀態下依照需求長度 切割後，則送至鋼胚儲放區冷卻。
6加入的化學藥物：受到化學藥物對壓延密度的影響，使的加入不同化學藥物可
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圖 2-2：不同鋼種的鋼胚可壓延的長度 軋鋼製程：
五、鋼胚加熱：鋼胚送往加熱爐加熱至可軋延的 1200 度紅熱狀態前，有 兩種不同方式，分別為傳統冷進爐與熱進爐加熱。冷進爐是指鋼胚須 放置冷卻，到達 25 度左右後，再送往加熱爐加熱至 1200 度;熱進爐是 指鋼胚連續產出後，直接送至加熱爐加熱至 1200 度，不需放置冷卻。
熱進爐程序對鋼鐵成品的生產可達到大量作業時間的節省，但使用此 程序的鋼胚需保持高品質。
六、鋼胚壓延：每一類型之鋼胚在 1200 度的紅熱狀態時，經由軋延機台 壓延至預先設定之可用淨長。鋼胚壓延需與軋延機台上滾輪配合，滾 輪寬度與鋼胚壓延寬度須完全穩合(如下圖 2-3)。因此，型鋼與鋼板所 使用之滾輪不同。鋼胚壓延會造成滾輪之耗損。
圖 2-3：鋼胚軋延示意圖[20]
七、成品切割：壓延後的鋼胚依照所需之規格，使用熱間鋸進行切割，產 出成品鋼材。
八、成品矯直：特定規格成品鋼材需放置冷卻床冷卻，並送往矯直機矯直。
鋼種 A572 的鋼胚
鋼種 A36 的鋼胚
壓延
壓延
可用淨長：48 公尺
可用淨長：96 公尺
九、檢查出貨：成品鋼材送往檢查站檢查後，依照出貨排程進行出貨。
表 2-1：曲模產出鋼胚的公稱尺寸整理
編號 公稱尺寸 編號 公稱尺寸 編號 公稱尺寸 1 100 × 100 11 250 × 125 21 400 × 300 2 125 × 125 12 250 × 175 22 400 × 400 3 150 × 75 13 250 × 250 23 450 × 200 4 150 × 100 14 300 × 150 24 450 × 300 5 150 × 150 15 300 × 200 25 500 × 200 6 175 × 90 16 300 × 300 26 500 × 300 7 175 × 175 17 350 × 175 27 600 × 200 8 200 × 100 18 350 × 250 28 600 × 300 9 100 × 150 19 350 × 350 29 700 × 300 10 200 × 200 20 400 × 200 30 800 × 300
2.2、煉鋼及軋鋼製程相關文獻
鋼鐵業在製程上可分為煉鋼及軋鋼製程兩階段，在其分別的製程上各 具有不同特性及限制，例如在煉鋼的連續鑄造上，相同公稱尺寸的鋼胚可 以一起鑄造，而在軋鋼的鋼胚壓延製程上則有換滾輪等因素需考量。因製 程特性不同大多數學者對這兩類製程做個別探討與研究。以下將針對過去 學者所研究的議題分為煉鋼及軋鋼兩製程做說明及介紹。
2.2.1、煉鋼製程生產排程文獻探討
煉鋼製程最主要包含鋼液粹取與連續鑄造等部份，與此製程相關的研 究如下：
Tang
et al.[10]提出一數學模式求解連續鑄造排程問題，針對即時化
(Just In Time, JIT)環境，目標式為使製造時中斷、物件等候和提早完工或延 後完工的懲罰成本最小化。其環境限制包含，(1)在相同機台加工的物件，10
當前一物件加工完成，下一物件必須立即加工；(2)當某物件搬運至另一機 台後，也必須立即開始加工；另外，(3)必須有足夠搬運與設置的時間等。
其所用之數學模式為非線性規劃，學者們透過替代方式將其轉換為線性規 劃模式，利於求解。求解結果需檢視在相同機台上是否有兩物件同時加 工；如果有，代表求解的結果有衝突，需透過手動進行修正。由於此一數 學模式只考量即時化的想法，並無加入製程限制，且求解的結果有衝突 時，需手動修正，在應用上仍需探討。
Bellabdaoui et al. [1]提出一混合型整數線性規劃模式(Mixed -integer linear programming, MIP)，求解出在轉爐與精煉爐的開始加工時間和連續 鑄造的完工時間。目標式為使連續鑄造總完工時間最小化。其環境限制包 含，(1)每個加工順位只能有一物件；(2)一物件只能有一對應順位上加工；
(3)計算轉爐上可開始加工時間，及運輸到精練爐與連續鑄造機台後可開始 加工的時間；(4)在轉爐、精練爐以及連續鑄造的機台上，加工的物件必須 等到當前一物件加工完成，下一物件才能開始加工；(5)計算在連續鑄造機 台上，最後加工物件的完工時間；(6)完工時間需小於各訂單交期；其他限 制主要包含加工時間的限制、轉爐到連續鑄造機台期間的等待時間限制 等。此一數學規劃模式可使總完工時間最小化，但在範例當中只探討較小 數量的物件，無法得知在大規模的物件時，是否可求得最佳解。
2.2.2、軋鋼製程生產排程文獻探討
軋鋼製程最主要包含鋼胚軋延與成品切割等部份，與此製程相關的研 究如下：
Lopez
et al.[7]提出禁忌搜尋法(tabu search, TS)結合其他啟發式演算
法，求解軋鋼製程生產鋼板的排程問題。目標式為加工不同寬度、厚度、規格以及未優先加工的鋼板，其懲罰成本最小化。求解步驟如下：
Step1：首先由貪婪法(greedy heuristic)找到多個排程解。
Step2：由 Step1 找到多個排程解中，選擇目標值最佳的為初始排程解。
Step3：判斷在初始排程解中，是否經交換生產順序後，可改善目標值。若 可以，則進行交換，且紀錄交換的順序，並列為禁忌。列為禁忌 的生產順序，必須達到一定的反覆次數，限制才可解除。
Step4：判斷是否達到終止條件(達到限定的反覆次數或在連續反覆之下，
交換完之後仍無法改善求解結果)。若是，則將最終結果列出；反 之，則回 Step3。
在求解的問題當中，學者有考量某些鋼板有優先加工的因素，使求解 的環境能更加實務。
Tang et al.[8]提出最佳解以及近似解的方法，求解無縫鋼管在軋鋼製 程的排程問題。最佳解是利用分支界線(Branch-and-bound)的方式求解，以 總完工時間最小化為目標，滿足訂單交期；求解步驟如下：
Step1：隨機選取一個物件做為開始加工的物件。
Step2：計算目前生產順序的完工時間(界線)，並判斷是否大於訂單交期。
若是，則該生產順序不可行；反之，則至 Step3。
Step3：選取下一個加工物件(分支)。
Step4：判斷在可行的分支中，是否所有的工件皆已排入。若是，則將最佳 生產順序列出；反之，則回 Step2。
分支界線法可求得最佳解，但其方式較耗時，適用於較小規模的問 題。所以學者們又提出求解近似解的方法。求解步驟如下：
Step1：隨機選取一個物件為開始加工的物件。
Step2：選取下一個加工物件。從剩餘未排入的物件當中，一一比較何者可 使完工時間最短，做為下一個加工的物件。
Step3：判斷是否所有的工件皆已排入。若是，則將生產順序列出；反之，
則回 Step2。
此啟發法較分支界線法省時，求解結果亦不比最佳解差很多，所以在實 務應用上可多加考慮。
Wang et al.[12]提出一混合整數線性規劃模式以及禁忌搜尋法(tabu search, TS)，求解軋鋼製程中哪些鋼板需放置在一起加工及其順序。其數
12
學規劃模式之目標式為，加工不同鋼板等級、寬度、厚度、加工溫度、提 早完成加工或延後完成加工、剩餘產能等的懲罰成本最小化。其環境限制 包含，(1)批量的加工數上限；(2)一批量的總長度限制；(3)加工的鋼板之 間，不同等級的允許上限；(4)加工的鋼板之間，不同寬度的允許上限；(5) 加工的鋼板之間，不同厚度的允許上限；(6)加工的鋼板之間，不同加工溫 度的允許上限；(7)鋼板可開始加工的時間及完工時間。混合整數線性規劃 模式可求解出最佳解，適用於小規模問題。在大規模問題中，可透過禁忌 搜尋法求解出近似解。求解步驟如下：
Step1：由一啟發法(cheapest insertion heuristic, CIH)找到各批量的初始可行 解。
Step2：再利用順序互換的方式(包含 Deletion、Insertion、Inner- relocation、
Outer-relocation、Swap、Exchange。)改善各批量的初始解。且紀
Outer-relocation、Swap、Exchange。)改善各批量的初始解。且紀