Title

Otimização da produção de curto prazo em usinas siderúrgicas: Um framework MILP híbrido para sincronização da aciaria, do lingotamento contínuo e do laminador a quente

Short-term production optimization in steel plants: A hybrid MILP framework for synchronizing melt shop, caster, and hot rolling mill

Authorship

PEINTINGER, MICHAEL F.; FINKELSHTEIN, VLADIMIR

PEINTINGER, MICHAEL F.

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FINKELSHTEIN, VLADIMIR

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DOI

10.5151/2594-5335-43234

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Abstract

O sequenciamento da produção de curto prazo em usinas siderúrgicas permanece altamente complexo porque a aciaria, o lingotamento contínuo e o laminador a quente são fortemente acoplados, mas, com demasiada frequência, planejados de forma isolada. Este artigo apresenta um framework de otimização híbrido que trata toda a cadeia siderúrgica como um único problema conectado. Em seu núcleo está um modelo de programação linear inteira mista (MILP) ampliado por pré-processamento baseado em regras, heurísticas de pós-otimização e realimentação por aprendizado de máquina, abordando quatro objetivos simultâneos: produtividade, viabilidade do programa, aderência a KPIs específicos da planta e reprogramação reativa. Os vetores de valor diferem conforme a configuração da usina. Usinas integradas, que armazenam placas entre o lingotamento e a laminação a quente em um pátio de placas, visam temperaturas médias mais elevadas de enfornamento por meio do carregamento a quente e direto coordenados. Mini-usinas baseadas em processos de lingotamento contínuo de placas finas, como CSP, ESP ou QSP, não possuem pátio de placas intermediário, e o foco se desloca para a redução das transições de grau e o aumento de bobinas prime por pedido. Um princípio central de projeto é a transparência: diferentemente de modelos de IA do tipo caixa-preta, as formulações MILP permitem que os operadores compreendam e conduzam o sistema interativamente por meio de modelos de cenários. A sincronização é obtida impondo-se as restrições da laminação a quente diretamente sobre o programa de lingotamento, criando blocos lamináveis que viabilizam o carregamento a quente e direto de forma sistemática. A reprogramação reativa lida com perturbações, como desvios de peso de panela e indisponibilidades de equipamentos, em segundos, avaliando alternativas de recuperação pelo impacto financeiro. Implantações em usinas de produtos planos têm proporcionado ganhos mensuráveis nas dimensões que cada planta mais prioriza, desde o aproveitamento térmico e o consumo específico de energia por tonelada em usinas integradas até o sequenciamento de graus e o rendimento de bobinas prime em mini-usinas, confirmando que a otimização integrada se traduz em ganhos operacionais e financeiros.

Short-term production scheduling in steel plants remains highly complex because the melt shop, caster, and hot rolling mill are tightly coupled yet too often planned in isolation. This article presents a hybrid optimization framework that treats the entire steelmaking chain as a single connected problem. At its core is a mixed-integer linear programming (MILP) model augmented by rule-based preprocessing, post-optimization heuristics, and machine learning feedback, addressing four concurrent objectives: throughput, schedule feasibility, site-specific KPI adherence, and reactive rescheduling. Value drivers differ by plant configuration. Integrated mills, which store slabs between casting and hot rolling in a slab yard, target higher average furnace charging temperatures through coordinated hot and direct charging. Mini mills built on thin-slab continuous casting processes such as CSP, ESP, or QSP have no intermediate slab yard, and the focus shifts to reducing grade transitions and increasing prime coils per order. A central design principle is transparency: unlike black-box AI models, MILP formulations allow operators to understand and steer the system interactively through scenario templates. Synchronization is achieved by imposing hot rolling constraints directly onto the casting program, creating rollable blocks that enable systematic hot and direct charging. Reactive rescheduling handles disruptions such as ladle weight deviations and equipment outages within seconds, evaluating recovery alternatives by financial impact. Deployments at flat-products plants have delivered measurable gains in the dimensions each site prioritizes most, from thermal utilization and specific energy consumption per ton in integrated mills to grade sequencing and prime coil yield in mini mills, confirming that integrated optimization translates into operational and financial gains.

Keywords

scheduling, planning, MILP, thin-slab casting, hot charging, direct charging, optimization

Production scheduling, Mixed-integer programming, Steel manufacturing, Process synchronization