钢铁生产过程整体优化研究现状和发展趋势

1钢铁生产过程整体优化研究现状和发展趋势21世纪钢铁企业面临的挑战已不仅是产品的质量、性能问题，也不仅是产量和生产效率问题，而是一种最新形式的综合性挑战；它包括了经营成本、产品质量与性能，生产效率与合理规模、能耗与过程排放、过程灵活控制、环境与生态等多目标群优化的挑战。要认识并解决这类多目标优化的挑战，不能从某一产品的材料学问题来解决，也不能靠某一工艺装置的工艺学问来解决；主要应从生产流程整体优化来解决。钢铁生产流程是一种工厂层级上的制造过程，这类过程的时—空尺度比单元操作、单元工序层次上过程的时一空尺度要大得多。钢铁生产流程具有多工序串联、集成运行，输入/输出的资源/能源密集，生产过程伴随大量的物质/能量排放和资金密集等特点。可见生产流程的整体优化对于钢铁企业的生存、发展的诸多方具有极强的关联度和广泛的渗透性。可以说制造（生产）流程的结构优化是钢铁企业结构优化、效率提高、社会经济功能拓展的有效切入点。冶金流程工程学作为工程科学层次上的知识，它追求的目标是通过生产流程的整体优化来解决整个工厂的结构优化、功能优化和效率优化。进而在更大尺度上解决钢厂的结构与模式、投资战略、市场竞争力和经济效益；解决钢厂面临的环境问题和生态协调性问题。本文主要就近10年来钢铁生产过程整体优化方面研究取得的成果和发展趋势做简单概述。1钢铁生产过程整体优化研究现状1.1连铸生产的发展和完善，是我国钢铁生产流程动态有序优化的突破点，也是结构优化的重点流程优化从技术、投资上看，不可能是所有各工序、装置不分先后平行推进的，因为在一个时期内财力、物力、人力是有限的。必然要从流程中带有“技术瓶颈”性的工序率先突破，其他工序协调跟进，才能在新的水平上建立起新的流程结构。20世纪90年代以来的实践表明，连铸工序的发展和完善确是现代钢铁制造流程优化过程中最重要的突破点。首先，连铸的发展加快了淘汰高能耗、高物耗、慢节奏、低效率、低质量的平炉一模铸一初轧/开坯等落后工艺装备的步伐，使整个钢铁生产流程变得高效、低耗、优质，并向前带动了流程上游高炉大型化，向后促进了流程下游连轧生产的发展，成为我国钢铁工业高速增长的主要技术动力。第二，连铸生产的发展和完善，使转炉、超高功率电弧炉的生产效率成倍提高，并迅速推进了相应的二次冶金技术、铁水预处理技术和经济的洁净钢生产技术（图1），凝固技术、优质耐材技术、保护渣技术等的开发和应用，也促进了炼钢炉、精炼炉终点控制技术和连铸坯热送、热装等技术的开发和研究。第三，一批优质钢种通过连铸工艺（如IF钢、冷轧硅钢、高档齿轮钢、石油管线钢、不锈钢等）稳定生产，成为保证质量、提高成材率、降低消耗与成本和提高生产效率的最重要手段。第四，连铸向高效、近终形方向的优化发展，形成了薄板坯连铸一连轧等紧凑型流程。这种新型流程的生产连续化程度高，大大降低了产品2成本、提高了产品质量、生产效率与劳动生产率。若能进一步做到炼钢一连铸一连轧之间的高温热连接并连续紧凑运行，就可以最大限度地利用凝固铸坯的热量，减少了因间断而重新加热的能源、时间消耗。毫无疑问，这种钢铁生产流程投资图1中国钢铁工业连铸比变化对炉外精炼比（不包括吹氢、喂丝）和吹氢喂丝比的影响图2薄板坯连铸连轧工艺与传统连铸连轧工艺热履历的比较额也相应低，过程耗散小，是符合可持续发展要求的流程。这一流程的进一步优化和高效率，还将依靠近终形连铸的优化与完善。另外，由于近终形连铸快速凝固的工艺特点及其铸坯独特的热履历，使铸坯与轧材性能具有新的特征（图2），必须有效利用近终形连铸生产的热轧材强度大幅度提高的优势，并关注解决给随后冷轧加工可能带来的困难。从提高产品质量和生产效率等角度来看，毫无疑问，无论是常规流程还是紧凑流程，连铸工艺、装置的发展与优化，仍将是钢铁企业结构调整、流程优化的重点。从以上分析可见，连铸技术的发展对流程优化的带动作用是十分重要的，也关系到钢铁产品的优化和专业化发展。十几年来，我国钢铁工业因连铸技术的迅速发展，保持了持续高速增长。1.2若干关键—共性技术在流程优化中的互动作用连铸是20世纪90年代以来中国钢铁企业流程优化进程中第一个突破点，其重要性前面已作了分析。但连铸生产的发展必然要求其他工序的优化并互动地发挥作用，从而形成了一系列关键—共性技术。结合中国钢厂的特点，这些共性技术主要有连铸技术、高炉喷吹煤粉技术、高炉高效长寿技术、棒线材连轧技术、转炉溅渣护炉技术和流程结构调整的系统节能技术。图31990～2001年中国主要钢铁企业高炉吨铁平均喷煤量的变化连铸技术的发展使钢铁生产流程朝连续、高效、紧凑的方向优化，这就要求3生产流程中各工序按此方向协同运行。全连铸生产促进了转炉利用系数成倍提高；对焦化、炼铁等工序也进一步提出了新的要求。因此，相继开发了高炉喷吹煤粉技术（图3）、高炉高效长寿技术，带动和促进了高炉高风温、精料、强化冶炼等各项技术，保证了与成倍提高的炼钢—连铸工序的产能衔接和生产效率提高，促进了钢厂生产流程上游段的稳定性、连续性。转炉溅渣护炉技术不仅使连铸生产的连续稳定性大大提高，还因复吹比大幅度提高、钢水质量的优化，满足了连图41990～2002年中国钢厂吨钢可比能耗的变化进程铸、轧钢生产的要求。棒线材连轧化对于为数众多的长材生产厂而言，则是由于连铸比不断提高后的必然要求，更利于与连铸生产衔接，促进连铸坯热送热装和轧材质量的提高。连铸等先进工艺装备的发展和相应淘汰模铸、初轧、开坯、平炉、小电炉和化铁炉等落后的工艺装备，实际上是制造流程整体重构性的优化。与此同时，由于钢铁制造流程的调整带来了系统节能和降低物耗的效果（图4）。不难看出，上述6项关键-共性技术的有序突破、集成、互动，对中国钢厂生产流程的调整起到了关键性的作用，有力地促进了中国钢铁企业的快速发展。1.3钢铁工业流程界面1.3.1界面技术的提出钢铁制造流程的连续化、自动化和信息化是未来钢铁联合企业发展的必然趋势。随着钢铁生产技术和规模的发展，生产工序间的衔接、匹配发生了本质变化，如何优化调控工序和工序区段，最大限度地将高炉、铁水预处理、转炉、炉外精炼、连铸、轧钢等工序合理地衔接和匹配，以实现钢铁制造流程的整体优化，给流程工程研究提出了新的课题。其中之一就是以钢铁制造流程主体工序（例如，炼铁、炼钢、连铸、连轧等）之间的衔接一匹配和协调一缓冲方法及其相应的装置（装备）为对象，主要解决工序间的各种不确定因素和各工序环节之间的柔性调节问题，保证物质流的顺利衔接和合理匹配的“工序界面技术”。钢铁流程的工序界面如图5所示。工序间的优化匹配，不仅可以优化整体流程，提高生产效率，而且还可促进钢铁生产流程的能源消耗大幅度降低。进一步研究流程界面物质流的运行基本规律，逐步解决在能量流耗散最小条件下流程的整体优化匹配等相关基础科学问题是我们必须面对的课题。4图5钢铁流程的工序界面1.3.2流程工序界面技术的意义长期以来，钢铁工业的节能降耗工作围绕主体工序和单体设备进行，而对于工序之间衔接界面则缺乏系统的研究。在连续化、自动化和信息化逐步发展的钢铁制造流程中，研究和开发流程工业界面技术对实现有效的工序衔接，降低工序界面的资源和能量消耗有重要的意义：（1）节能降耗通过工序衔接界面行为动力学和界面热力学的研究，可为工序界面节能降耗技术的开发和应用奠定基础，进一步降低钢铁企业的资源和能源消耗，提高企业的竞争能力。（2）流程优化和界面技术演化界面节能降耗技术的发展和在流程工序中的集成组合应用，会导致工序功能及其集合的演变，进而导致整个生产流程中各工序和装置功能集合的重新分配或分组，使钢铁流程工序之间的关系集合发生变化。工序和装置功能集合的解析、优化和工序（装置）之间关系集合的协调、优化，为钢铁生产流程各工序（装置）的重新有序化和高效比提供技术平台性的支持，在工序功能集合、工序关系集合的演进和优化的过程中引起钢铁流程中一系列界面的演变和优化，在不同生产区段中形成新的有效组合。这一系列“界面技术”的出现和有效组合可影响到钢铁生产流程的结构，包括工艺技术结构、装备结构、空间结构、产品结构等。（3）流程工业工序界面理论体系根据冶金流程工程学的理论体系和钢铁制造流程工序功能集、工序关系集和流程工序集的解析集成思想，开展钢铁制造流程工序界面衔接节能技术基础研究，可完善钢铁制造流程界面能质流动力学理论，归纳出具有代表性的工序类型、界面类型，探讨各类型“界面”的行为特点和规律，形成流程工业工序界面理论体系。目前，国内外在钢铁企业的系统节能领域进行了一定量的研究，提出了一些系统节能的理论和方法。对于冶金生产流程中工序间的衔接、匹配，以及流程界面技术也进行了一定的研究，取得了一定成果，但是从工序间界面优化的角度来进行流程节能的研究还很少。而且，目前研究的工序界面还局限于工序自身优化和炼铁一炼钢界面，所采用的方法也还处于探索阶段。虽然已经建立了初步的理论指导，但距离形成成熟的理论框架和研究方法体。51.4钢铁制造流程中工序功能集的解析一优化所谓工序功能主要是指该工序在制造流程中发挥的主要作用每个工序的功能往往是多元化的，同时某些功能又可以在多个工序中实现，因此，又出现了某些功能在不同工序中实现的程度、优化匹配、相互取代以及综合集成等问题。转炉炼钢过程的典型实例见表1。由此，工序功能集至少应该分为单元工序/装置功能集和流程系统工序功能集（有时是区段系统工序功能集）。流程系统工序功能集在流程整体优化原则指导下，首先对诸多工序的诸多不同功能进行解析，进而对不同功能在某些工序中的实现方式、实现程度进行优化选择、分配或取代，形成解析一优化的流程系统功能集。单元工序功能集是指流程中某一工序负担的物质/能量转换、传输和储存以及实现规定目标所要求的特定活动，并且要兼顾实现与其它工序之间的优化匹配和合理衔接问题为使工序功能更有效地解决物质/能量转换、传输和储存的各状态参数在流程中的合理衔接和匹配，必须同时解决时间因素上的协调和空间上的合理配置。表1炼钢过程工序功能的分解1.5钢铁制造过程中工序关系集的协调一优化钢铁制造流程内的工序关系集不仅要考虑工序之间（包括相邻关系和长程关系）在时间因素、空间因素、温度因素、工序功能和装备能力的衔接匹配，而且还要重视工序之间输送方式的合理性（不仅是输送装备、输送状态，而且还涉及工厂的平面布置），即实现工序关系集的协调优化，使过程中金属物流衰减、金属流的温度起伏、过程时间和过程库存量均实现“最小化”，以及产品质量、使用性能满足率实现优化等。6图6高炉一转炉一轧钢生产流程的演进在流程系统的发展过程中，有时某工序处于带领地位（例如连续铸钢），同时带动着相邻工序的发展（见图3）。从图3可见，以高炉一转炉一热轧为代表的钢铁制造流程工序关系集不断演进，而且由于对连续化、紧凑化、节律化、协同化等方面的追求，使工序关系集的内涵越来越丰富。工序功能的解析一优化是工序关系集优化的基础工序功能一般可以归纳为“容量”性功能（如产量、生产率、输送能力）等和“强度”性功能（如产品或半成品的质量、性能等）。因此，工序之间的关系一般可以概括为“容量”性衔接、匹配关系和“强度”性衔接、匹配关系通过工序功能的解析一优化和工序之间衔接、匹配关系的协调一优化，可以组成一系列短程/长程工序关系和工序关系集合—包括物质量、物质流量、物质浓度、温度、能量、时间、空间、组织/性能质量等方面的衔接、匹配关系—它实际上是一系列的、广义的“活套”工程，其可靠性和灵活性在某种意义上标志着制造流程的整体性能的优劣总的追求目标是朝着尽可能小的“活套”容量发展。例如高炉一混铁炉一平炉一模铸一钢锭库一均热炉一初轧机一中间坯库一加热炉一热轧机这样的流程，为保证正常生产运行，其“活套”的容量非常大；而高炉一鱼雷罐车一铁水“三脱”预处理一转炉一二次冶金一薄板坯连铸一热带连轧机流程的“活套”容量则明显变小其技术意义以及经济价值不言而喻。1.6新一代可循环钢铁流程我国新一代钢铁制造流程研究的重点目标，是要在21世纪的时代背景下，自主集成生产薄板（及其深加工产品)的大型钢铁联合企业的工艺流程和装备，以支持新一代钢铁基地