第6章-冶金制造流程中的多因子物质流控制

冶金制造流程中的多因子物质流控制孙健1提纲多因子物质流控制的某些理论基础问题钢铁制造流程的多因子物质流控制动态-有序流程结构与信息流2制造流程的概念与运行要素流程网络为适应在开放的流程系统中将“资源流”、“结点”和“连结器”整合在一起的物质-能量-时间-空间结构。要求有静态的合理性，特别是体现在空间结构（例如总平面布置等），更重要的是要能适应“资源流”在动态运行过程中可以体现出动态有序性、可连续性、紧凑性。“资源流”包括了输入的原料流、能源流等，也包括了运行过程中的物质流、能量流以及相应的信息流，还有输出的产品流、副产品流和各类排放流等。3钢铁冶金过程理论与工程实践的发展过程节点与连结器节点指在流程网络中的各类功能不同的工序、装置，例如高炉、转炉等。而“连结器”则是指结点与结点的连结的手段、方式、装备等，例如管道、辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水罐等。因此，也可以将“流程网络”看成是“结点”、“连结器”的优化配置及其组成的时-空边界。4制造流程的概念与运行要素流泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式的“资源”。对冶金流程而言，“流”是一类多因子（多维）“流”。a)物理性质上的多维性：化学组分，物理相态，几何形状，表面性质，温度，时间等；b)多因子“流”在生产工艺流程中表现为运行、调控过程中的“多维”性。“多维”性体现在流程运行过程中物质状态转变、物质性质控制和与之相关的物质流管制过程的“物质流”-“能量流”-“信息流”复合在制造流程中的物质流中。c)从调控角度上看，则体现为对制造流程运行调控过程中基本参数（物质量、温度、时间）-派生参数（产量、质量、成本等）的“多维”性上。6制造流程的概念与运行要素程序可以看成是各种形式的“序”和规则、策略、途径的集合。“序”包括了无序和有序，也包括了对某一因子的次第排列。有序的形式又包括了功能序、空间序、时间序以及时空序等。而“规则”则来自不同的要求、不同外部条件以及流程自身的整体功能，例如运行连续化、紧凑化等，就是规则的主要体现。“序”和“规则”的结合就反映出对制造流程中多维物质流的总体调控策略和具体运行途径。7制造流程的概念与运行要素原料流能源流产品流信息流副产品流排放流：结点：连结器（道路、管道、辊道、吊车、铁水罐、钢水包等）：多维物质流（流程运行中的）图6-1制造流程的概念与要素示意图5制造流程的概念与运行要素信息流动态有序运行的前提条件系统必须是开放系统，流程系统处在远离平衡状态，是不可逆过程。8流程的动态有序运行动态-有序运行过程的“动力源”组元运行的“涨落”行为。组元之间相互作用的非线性耦合。组元处在远离平衡状态。流程运行过程中自组织功能的产生和形式钢铁制造流程是一种耗散过程，在具有耗散结构的流程运行过程中，耗散流程系统有序状态的自我形成和自我完善形象地称为自组织。自组织现象丰富多彩，具有多种形式，主要有自创生、自复制、自生长、自适应几种形式。9多因子物质流控制研究目标、内容和方法10研究钢厂生产流程进入动态-有序运行的特征、状态和外界条件，通过耗散结构研究流程中自身存在的“自组织”功能和研究流程运行中的序参量。进一步目的是为了提高企业的市场综合竞争力；促进可持续发展，适应循环经济社会。研究目标多因子物质流控制研究目标、内容和方法11制造流程的结构和行为；流程中相邻、相关层次的作用关系；流程中各组元的功能、结构和效率；流程中各组元之间的相互作用关系。研究内容流程中各组元运行过程中的涨落现象及其概率；流程中各组元运行过程中的相互作用的非线性关系；流程运行—耗散过程中自身存在的“自组织”功能；流程运行过程的序参量及其对新功能的“涌现”贡献；外界条件对流程结构与流程运行状态的影响极其相互适用性等。研究方法钢铁制造流程的多因子物质流控制从工程科学角度讲，钢铁制造流程的特征是物质状态转变、物质性质控制、物质流控制在流程过程中的协调-优化。12钢铁制造流程的过程特征图6-2钢铁制造流程中系统内物态、物性、物质流组合示意图物质转变、物性控制高炉焦化烧结(球团)原料场铁水预处理转炉精炼连铸机加热炉热连轧机物质流13钢铁制造流程运行的概念钢铁制造流程是准连续/间歇流程系统，流体为连续介质系统。从工程方法论的角度上看，两者都是一种外界“刺激”-内在“响应”的本质。14抽象-类比—“刺激”-“响应”钢厂生产流程可以用类比的方法抽象为“粘性”制造流程系统。钢铁制造流程运行的概念对连续介质系统而言，连续介质内的任何微元体对外界“刺激”具有一致甚至同时的内在“响应”；对流程方式的系统而言，其诸多组元(工序、装置等)对外界“刺激”因素（如市场、投资、资源、能源、价格等变化）具有不均匀(甚至不同取向)的或不同滞后度的内在“响应”。15抽象-类比—“刺激”-“响应”式中，Φ—流程系统的“粘性耗散值”；Φm—机械性的“粘性耗散值”；ΦP—人为性的“粘性耗散值”。mPf（,）16钢铁制造流程运行的概念式中，S—钢厂结构；ΣE—组元工序的集合；ΣR—工序之间关系的集合。(S)(,)ffER“粘性系统”和“不同滞后度”17稳定谐振状态可以分为设定的一般状态、“柔性”正常调控状态、“柔性”极限调控状态。准连续/间歇制造流程的运行方式图6-4电炉流程运行的“弹性链/半弹性链”稳定谐振状态及其不同类型A-A—设定的一般状态A′(+)-A(-)′—正常柔性调控范围A″(+)-A″(-)—极限柔性调控范围Ⅰ—电炉；Ⅱ—钢包炉；Ⅲ—连铸机；Ⅳ—加热炉及附属储存库；Ⅴ—热轧机“弹性链”/“半弹性链”谐振18谐振失衡状态是指流程整体运行过程中，由于受外界影响或是自身处置不当，使得“刚性组元”超过其“弹性”值、“柔性组元”超过其“极限”值，或是组元工序之间的关系不能互相连续适应—“自组织”失控，从而导致整个流程系统失衡而丧失“弹性链”谐振运行方式。“弹性链”/“半弹性链”谐振19流程内的工程效应图6-5钢铁制造流程的演进与“临界-紧凑-准连续/连续”效应20在不同外界“刺激”因素作用下，做出“响应”的类型有：“反射”类响应，“吸收”类响应，“传导”类响应，“转换”类响应外界“刺激”-流程系统“响应”的分析外界“刺激”因素的变化：市场总容量和产品品种需求的变化；市场引起的国际竞争资源、能源的供应和运输、价格的变化资金市场的状况科学技术进步与社会经济发展的状况人员的组织及工资成本的变化环境、生态的要求和可持续发展21动态-有序流程结构与信息流式中，F—流程系统的所有功能集变量；r—为功能集变量间存在关系的有向边，可表示关系的时序性，也可表示关系的作用方向。D{}Fr，通过流程系统的组成工序及其相互作用关系来对流程进行划分和再组合，可用有关有向图的概念，确定划分和再组合原则。钢铁制造流程的划分和尺度-层次耦合22动态-有序流程结构与信息流多尺度、多层次与自组织—流程的划分、组合与控制图6-7钢铁制造流程系统的多层结构图z21z11zn1z1(k-1)z2(k-1)z3(k-1)z4(k-1)z5(k-1)z6(k-1)z7(k-1)z1(k)z2(k)z3(k)z1(k+1)动态-有序流程结构与信息流23图6-8钢铁制造流程中主要工序运行过程的自复制现象钢铁制造流程中多因子物质流的演变进程可以看成是“流”在不同层次-不同尺度上的耦合过程。24图6-9钢铁制造流程(高炉—转炉—热轧流程)中的自复制-自生长过程(层次-尺度的耦合-演化)过程时间VIVIIIVII多因子物质流工序运行VIIIIIIIVI’0流程运行工序物质流自复制流程物质流自生长II-高炉III-铁水预处理IV-转炉(电炉)I’-焦化VI-连铸机0-原料场I-烧结(球团)V-钢液精炼VII-加热炉VIII-热轧机25“流”是流程运行过程中的物质性主体。“流程网络”是“流”运行的承载体和时间-空间边界。“程序”物质流运动特征在信息形式上的反映。基本要素关系