3钢铁制造流程的解析与集成

13钢铁制造流程的解析与集成3.1钢铁制造流程的结构、功能及演化3.2钢铁制造流程的耗散结构特征3.3钢铁制造流程的工程本质3.4钢铁制造流程的解析与集成2钢铁制造流程的解析解析中的问题：n物质流的停顿和间歇n物质流温度反复升降n能耗、物耗高，排放量大炼铁炼钢连铸热轧冷轧烧结焦化产品解析-集成优化33.1钢铁制造流程的结构、功能及演化3.1.1流程系统的结构特点nn组元组元((工序、装置工序、装置))：用于进行物质或能量的储运、传输或转换的基本加工步骤nn结构结构：组元之间“关系”(连结)的整体(集合与排列)nn““流流””：资源、事件在节点与连结器之间的运动物质流能量流信息流制造流程物质流能量流信息流43.1钢铁制造流程的结构、功能及演化3.1.1流程系统的结构特点n多组元性：反应-凝固-加热-形变-相变等n组元间的相关性和相干性n整体性：流程集成体=〈组元集合，关系集合〉整体的结构、特性、状态、行为、功能、效率结构结构：组元与组元之间关联方式的总和。p框架结构（静态结构）p运行结构（动态结构）p空间结构p时间结构5n结构形式：p框架结构：流程系统处于尚未运行或停止运行的状态时，流程内各组元的基本连结方式。相当于静态结构（组元的数量、容量、排列组合及其平面、立体布置）p运行结构：流程系统处于运行过程中所体现出来的组元之间相互依存、支持、制约的方式。相当于动态结构（宏观运行动力学运行机制；组元的相关相干表征）p空间结构：各组元在空间的排列或配置方式。p时间结构：各组元在时间流程中的关联方式。63.1.2流程系统的功能流程系统的行为所引起的有利于环境中某些事物（事件）乃至环境发展的作用。n不是组元功能的简单加和n与其结构的关系密切n受外部环境条件的影响和制约性能：流程系统在内部相互作用、相互制约和外部联系中表现出来的特性和能力。功能：一种特殊的性能，是对外界发挥出来的有效作用的表征。73.1.2流程系统的功能未来钢铁制造流程的三大功能：p钢铁产品制造功能p能源转换功能p社会部分大宗废弃物处理、消纳功能83.1.3流程系统的演化流程的结构、功能等随着时间的推移而发生变化。n流程演化的动力：p内部因素：组元性质、功能的改进，组元间合作、竞争、矛盾等原因，引起流程规模、组元关联、制约方式的改变，进而导致流程结构、功能及其它特性的改变。技术进步、技术创新、生产经验、组织管理等p外部因素：环境条件的变化以及环境与流程系统相互影响、相互作用方式的变化等，引起制造流程内部结构、特性发生变化，甚至出现组元的革新或淘汰，最终导致整体功能、特性的改变。市场、价格、资源、环境、法律、法规等93.1.3流程系统的演化n流程演化的动力--内部因素：p高炉炼铁与非高炉炼铁技术p转炉炼钢与电炉炼钢技术p连铸技术p其他技术n流程演化的动力—外部因素：p能源危机p低碳、环保p市场需求p价格、资源状况等103.1.3流程系统的演化举例：钢锭系统113.1.3流程系统的演化举例：连铸系统12准连续化和连续化133.1钢铁制造流程的结构、功能及演化3.1.1流程系统的结构特点3.1.2流程系统的功能3.1.3流程系统的演化3.1.4钢铁制造流程中的“流”3.1.5钢铁制造流程中的“序”n钢铁制造流程演进、演化的进程是从简单到复杂，再从复杂到简化、紧凑化的过程。143.1.4钢铁制造流程中的“流”““流程流程””：实际上是开放系统中的一类多因子（多维）“流”，在一定的外界环境条件下，在由不同性质的工序及工序之间连结器所组成的流程网络结构中，按照一定的“程序”，动态有序地运行，同时实现某些目标群。“流”“流”——物质流、能量流、信息流等“流”的动态运行行为准连续化、连续化、协调化、紧凑化(钢铁制造流程的目标态)153.1.4钢铁制造流程中的“流”n“流”的耦合问题：（流程网络中）p不同节点上耦合因子的组成及其特征p不同节点上“流”所包含的不同因子的耦合度p“流”所包含的诸多因子在耦合过程中的相互从属关系p介观结构运行动力学和整体流程结构运行动力学研究的重要切入点之一。163.1.4钢铁制造流程中的“流”173.1.4钢铁制造流程中的“流”183.1.5钢铁制造流程中的“序”““序”序”：按次第分区、排列或表示其先后和大小。排序：按某种规则或规定对一系列组元进行排队。nn“有序”“有序”：事物内部诸要素和事物之间有规则的联系或转化。nn“无序”“无序”：事物内部诸要素和事物之间混乱且无规则的组合。序是宏观可辨认的量度；“有序”方可分辨、认识。nn空间序空间序：流程系统或其子系统在空间分布上的规律性。nn时间序时间序：流程系统运行变化时，在时间进程上的先后次序以及周期性的变化。nn时空序时空序：流程系统在时-空四维坐标系中周而复始的变化。193.2钢铁制造流程的耗散结构特征n静态有序结构：平衡n动态有序结构：非平衡——耗散结构耗散结构区别静态有序结构动态有序结构结构形式“死的”，微观粒子按某种特定规则排列构成的“活的”，微观（介观）的不停运动构成了宏观上稳定的结构形成机制稳定条件确定的外界环境；不平衡时通过与外界有能量、物质交换性达到稳定系统远离平衡态，在外界环境物质和能量对系统的作用下形成；形成后仍需要“新陈代谢”运动方面不随时间推移而变化宏观上有形状和规则，微观上不断变化20n形成动态有序结构（耗散结构）的条件：（普利高津）p系统必须开放p远离平衡态p非线性相互作用p涨落现象n钢铁制造流程具有普利高津耗散结构特征。213.3钢铁制造流程的工程本质n是一个集成了物质流管制、能量流管制、信息流管制的多维数、多层次、多目标的工程系统。n从根本上看，其性能结构的本质是物质状态转变、物质性质控制、物质流管制在时间、温度和空间上的融合、贯通、协调和控制。n实际上是一种多因子(多维)的过程物质流管制系统。()mfjjjjjSPABdQdTdtC⎡⎤=+-+⎣⎦∑∫∫∫生产体(物质流)加入的能源、辅料等排放、废弃物物质流的量物质流的温度时间间歇现象、因素223.3.1钢铁制造流程中的基本参数和派生参数n基本参数：要求：p贯通整个流程的各个工序、装置p可量化，有“连续”特征p可用同一形式、同一单位贯穿始末。物质量、温度、时间物质量、温度、时间23243.3.2钢铁制造流程系统的运行方式n准连续化、局部连续化n现代化钢厂：由“刚性组元”和“柔性组元”组成的“黏性”制造流程系统。253.4钢铁制造流程的解析与集成3.4.1钢铁制造流程的演进与结构解析3.4.2钢铁制造流程中工序功能集的解析－优化3.4.3钢铁制造流程中工序关系集的协调－优化3.4.4钢铁制造流程中流程工序集的重构－优化3.4.5过程科学与信息技术的结合262728293031钢铁工业流程特征和能质平衡图7.1钢铁制造流程过程中的铁素物质流32矿石等原、辅料煤炭伴热废气/伴热废渣/设备及物料散热钢铁产品煤炭等一次能源副产能源产品电力等二次能源其他产品蒸汽等33图7.3新一代钢厂物质流（铁素流）运行网络与轨迹34图7.7新一代钢厂能量流（碳素流）运行网络与轨迹35图7.4新一代钢铁制造流程物质流（铁素流）分析36图7.8新一代钢铁制造流程能量（碳素流）分析流程体系划分--主要钢铁产品：n铁道用材(分重轨、轻轨、车轮及轮箍等)n大型型钢n中小型型钢n棒材n钢筋n线材n特厚板n厚钢板n中板n热轧薄板n冷轧薄板37n中厚宽钢带n热轧薄宽钢带n冷轧薄宽钢带n热轧窄钢带n冷轧窄钢带n镀层板(带)n涂层板(带)n电工钢板(带)n无缝钢管n焊接钢管n其他钢材流程体系划分--钢坯及轧机：n方坯n板坯n圆坯n异型坯38n大型、轨梁轧机nH型钢n中型轧机n小型轧机n线材轧机n中厚板轧机n热轧带钢n连铸连轧n冷轧宽带钢n冷轧涂层n冷轧镀层n无缝管轧机流程体系划分：39能源转换（生产）、余能回收、能源分配系统辅助原料生产系统排放物综合处理系统铁矿石铁水钢水废钢板坯方坯圆坯异型坯热轧板材中厚板材棒材线材无缝管材轨梁材型钢材废钢冷轧板材热轧薄板冷轧机组高炉炼铁系统熔融还原直接还原转炉炼钢系统电炉炼钢系统板坯连铸方坯连铸圆坯连铸异型坯连铸中厚板轧机薄板轧机棒材轧机线材轧机钢管轧机轨梁轧机型钢轧机铁素主体流程系统外购能源外供能源其他原料40图3.2烧结过程的物料平衡关系图3.8烧结工序能量平衡量化关系图图3.6球团工序物料平衡关系图3.11球团工序能量平衡量化关系图41图2.4焦化工序能量平衡关系图2.2焦炉的物料平衡关系图4.2高炉的物料平衡关系图4.5高炉炼铁工序能量平衡量化关系图42图5.2转炉炼钢的物料平衡关系图5.6电弧炉物料平衡关系图5.11转炉炼钢工序能量平衡的量化关系图图5.13电炉炼钢工序能量平衡量化关系图43图5.9连铸过程的物料平衡关系图5.16连铸工序能量平衡量化关系图图6.2轧钢加热炉物料平衡关系图6.4轧钢加热炉能量平衡量化关系图