《冶金流程工程学发展回顾与展望（徐安军-）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冶金流程工程学发展回顾与展望（徐安军-）（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、冶金流程工程学回顾与展望,北京科技大学 徐安军 2014.7,内 容,引言 冶金流程工程学形成背景 冶金流程工程学形成过程 主要研究内容 学科形成的标志 未来设想和展望,引言,冶金流程工程学：倡导和探索 单体到整体：思考问题角度变化 实践到理论：学科分支的雏形 观点提出到逐渐接受：从学科发展的高度进行总结的必要性,形成背景,工业实践背景 科学理论发展的作用 对流程（过程工程）的哲学思考,工业实践背景,设备大型化，生产过程连续化 20世纪80年代，国外一些先进的钢厂已经注意到流程整体改进生产和管理，没有从理论上探讨，只是作为一项具体的先进技术或管理措施来对待。 流程结构发生革命性变化，转炉代替平
2、炉，连铸代替模铸 工序功能集和工序关系集的变化 流程紧凑、物流通畅、节奏均衡的准连续运行方式渐具雏形 产品生产专业化分工,科学理论发展的作用,冶金生产流程的动态运行过程在本质上属于耗散结构的自组织问题，而不是孤立系统的命题 熵在本质上是表征过程演变的不可逆性的热力学函数。熵增加赋予时间箭头永远指向正方向 时空结构则通过非线性相互作用促成系统宏观动态有序。三个方面的相互影响恰好是一种矛盾的统一体即所谓“秩序来自混乱”。 序参量激发子系统之间通过非线性相互作用产生协同现象和相干效应，使系统成为整个结构有序化的自组织结构。 自20世纪30年代应用化学热力学研究冶金反应开始，冶金由技艺转化为科学，至今
3、已形成了不同时空尺度、不同层次的各类过程原理，,对流程（过程工程）的哲学思考,科学、技术和工程的关系 关于工程演化论 关于还原论的缺失 规律和事件,科学、技术和工程的关系,工程：某些核心技术及相关技术所构成的集成性知识体系，并且要和经济要素合理配置在一起，才能形成工程系统，其特征是集成、构建。 技术：通过经验积累和反映科学原理，体现着巧妙构思和工艺技能的特殊的知识体系，其特征是发明、创新。 科学：人类通过生产实践、专门实验和思维探索所认识到的自然和社会的客观规律，是根据研究对象的矛盾特殊性所区分成的多门类、有条理、有逻辑的规律性知识体系，其特征是发现。 工程和技术都包含人的主观能动性；科学则是
4、揭示和说明事物发展变化的规律，是客观规律的反映，不可能被发明或创新。经典的科学知识，并不因为是古老的而随时代的前进被废弃或淘汰。工程科学应该能正确反映工程本质及其相关的、实质的技术模块之间相互关系，能经受实验验证和实践检验，并能促进工程系统和各技术单元不断前进的集成性、复杂性和构建性的科学规律的形成。,关于工程演化论,作为耗散结构的自组织过程，工程演化和生物进化具有相当程度的类似性。演化是从一种存在形态向另一个存在形态的转化过程，工程演化离不开技术进步。演化过程可以是连续性-渐进性的“用进废退”和“获得性遗传” ，而更为突出的是“遗传变异”和“适者生存”，经过选择与淘汰，在演化进程中出现某种类
5、型的“奇异点”，涌现出全新的工程结构。 工程活动是人类利用各种资源和知识创造和构建新的存在物的实践。工程活动体现着自然界与人工界要素配置上的综合集成和与之相关的决策、设计、构建、运行、管理等过程。,关于工程演化论,工程是对相关的、异质异构的技术进行选择、淘汰、整合、协同而集成为技术模块群，和相关经济要素的优化配置而构成工程集成体。 选择和淘汰就是一种竞争。选择是人为的，有主观意识的作用，但又体现了客观的经济规律，不是纯粹靠主观意志能控制的。 在选择技术时，还要重视“壁垒”与“陷阱”问题。采用新技术往往过多注意克服壁垒，注意解决技术难题，但有时也会导致个别“新”技术孤立领先，和工程中其他组元不协
6、同、不配套而导致结构失衡的陷阱。 总体上说，技术进步是工程演化的重要推动力之一。演化论所研讨的内容是在长的时间尺度上的发展特征和转化规律，演化形成的工程结构（例如流程）能否有利于自己的持续发展，对自然会产生何种影响，都需要经历较长时期才能显现。,关于还原论的缺失,研究工程这类复杂过程时，习惯的方法是把它加以解析，把各个单元孤立起来分类研究各自的运动规律，并浓缩成某种学科理论。这种方法有利于对各种局部性、单元性的事物规律深入认识，但却忽略了单元与单元之间的互动关系，冲淡了整体性。这是一种“还原论”的方法。 在分割、还原的过程中，往往丢弃了相互作用界面处的大量动态的、连续的、协同的信息，而这些界面
7、信息涉及结构、动态运行等主要问题； 更进一步减弱对整体性事物的了解。单纯从某个局部出发来理解综合性的工程问题，可能会失之于以偏概全，导致谬误。因此要注意克服还原论方法的缺失，把解析过程失落的信息、知识通过整体论、复杂性、协同论等方法挖掘出来。,规律和事件,在科技问题的研究中，最常用的方法是决定论。找到描述过程运动和变化的微分方程，只要确定了初始条件，就可以通过积分（解析的或数值的）预测出变化的轨迹和未来的状况，或者说，只要现在固定，未来就被固定下来。牛顿力学就是决定论方法的代表之一。确实当被研究的问题能够合理的简化时，决定论是十分有效的。决定论方法已成为大多数科技工作者的习惯思维。然而，混沌研
8、究发现，当初始条件是无理数时，演变轨迹会出现差别。,规律和事件,牛顿力学的可预测性也不是绝对的。对于复杂的事物和课题，例如工程问题，决定论的适用程度就有限了。在耗散结构中，涨落是离散型事件，但有时却能够触发系统自组织的序参量，这显然不是用决定论方法可以判定的。决定论和随机论，规律和随机事件，是复杂的客观世界的二重性。普利高津说：世界之丰富多彩，不是用一种语言可以完全概括，经验的不同方面，不可能用单一的描述包罗。由于客观世界的差异性和复杂性，在流程这样的工程问题的研究中，需要注意决定论和随机性互补的思维方式。,形成的过程,冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化专题论文，在金属学报1993年第7期上发
9、表 1990至2000年的十年间，全面推广全连铸，基于钢铁生产流程的连续化（准连续化）和紧凑化的总体性命题由此产生。提出了钢铁冶金制造流程在物理本质方面是一种多维物质流，是集成了物态转变、物性控制和物流管制在时间、温度和物质流通量三个基本参数在空间上的融合、贯通、协调和控制的过程 2000年至2004年，在原有理念和实际应用过程出现的问题及其解决过程中，主要集中在提出和定义一系列概念或概念模型。如钢铁生产过程是铁素物质流沿着节点和连接器构成的流程网络，按照一定的程序进行不同型式（连续、准连续、间歇）的动态运行，“流”、“流程网络”、“程序”是钢厂制造流程动态运行过程的要素。对时间、连续化程度等
10、概念也进行了系统的描述。由此，基本形成了冶金流程工程学的完整理论框架，其标志性的成果是2004年冶金流程工程学的出版。从这一时期开始，逐步在北京科技大学等主要冶金院校的本科生、硕士研究生和博士研究生中开设了选修、必修课程。,形成的过程,钢铁制造流程多维物质流控制的概念应用到实际的钢厂的生产运行过程，产生了对钢铁制造流程功能新的阐述。作为一个整体，钢铁制造流程的功能不再是单一的生产出钢产品，现代钢铁生产流程的功能应该包括产品制造、能源转换和社会废弃物消纳三个方面。由于能源、资源的短缺，钢铁制造流程不能只关注钢铁产品的生产，还必须综合考虑能量的高效转换、余热余能的及时回收、污染的减少和资源的循环利
11、用，整体优化概念的进一步扩展，形成了新一代钢铁制造流程新的功能，即钢铁产品生产、能源高效利用和社会废弃物消纳-处理-再资源化。尽管单个化学反应、单体技术和单体工序也存在诸多的关键科学和技术问题亟待研究，但要达到上述目的，钢铁生产不能只关注单个化学反应、单体装置和工序，而应该从流程整体上考虑冶金功能的合理分配，淘汰落后工序/装置，增加新生的工序，重新设计工序之间的合理衔接和匹配方式。在此过程中，把产品制造、能源转换和环境生态三个方面诸多的因素耦合在时间这个主要因素上。,形成的过程,2004年后，中国国家中、长期科技发展规划中有关流程制造业的科学与技术发展的重大课题“新一代钢铁制造流程”的研究，从
12、概念和内涵等方面认识到，新一代钢铁制造流程是一个涉及技术集成和结构优化的工程科学命题，不是简单地将若干先进技术和前沿技术捆绑在一起就构成新一代钢铁制造流程。这就改进了局限于推广运用个别先进技术的传统方法，转向流程动态运行的物理本质研究。并提升到工程哲学层面研究。,研究内容,冶金工序功能的解析与集成优化 冶金流程动态运行的物理本质研究 冶金生产流程中基本变量和派生参数的研究 冶金制造流程中时间因素的研究 现代电炉炼钢冶炼周期综合控制理论的研究 界面技术的研究 钢铁制造流程的动态运行研究 流程网络及其物质流-能量流耦合控制理论研究 流程宏观运行动力学机制和运行规则研究 钢铁厂动态精准设计理论和方法
13、研究 现代钢厂功能拓展和循环经济,冶金工序功能的解析与集成优化,钢铁冶金工序功能：在钢铁生产的某个工序中完成的冶金任务。 就冶金工序而言，工序功能是多元化的，每一个工序都可以完成多个冶金任务，如高炉，可以完成铁矿石还原、脱硫、渗碳等功能；转炉可完成脱碳、脱磷、脱硫、升温等功能； 随着钢铁冶金技术的进步，每一个工序的功能都在发生变化，出现了工序功能的演进。,冶金流程动态运行的物理本质研究,流程动态运行的三要素：即“流”、“流程网络”和“流程程序”。钢铁制造流程属于耗散结构与自组织过程。 钢铁制造流程是一种复杂的、非平衡的开放系统，包含着加热、熔炼、精炼、凝固、相变和塑性形变等物理化学过程。其各单
14、元工序之间具有异质性和非线性相互作用，流程系统和环境之间进行着多种形式的物质、能量、信息的交换，整个流程形成动态-有序运行的耗散结构。当流程的某些参数达到临界值（例如连铸坯厚度和拉速），流程的时间-空间结构发生演化，并形成全新的状态，使过程的进行更加接近连续-紧凑化，呈现出显著的工程效应。,冶金生产流程中基本变量和派生参数的研究,流程的运行过程是一种耗散结构的自组织过程。 为了描述流程的整体行为，需要适应不同于对局部过程微观描述的习惯性概念。也就是要用少量几个变量来描述整个冶金生产流程的动态有序运行过程。 变量应有下述特征：贯通整个流程中各个工序、装置；在整个流程运行中可量化表示；以同一形式，
15、同一单位贯穿流程始末。经过研究，得出了物质量Q(重量、流量、浓度)、温度T、时间t三个基本变量。流程中各种反应及状态变化，例如铁素物质流的质量、规格、形态等是由上述基本变量决定的派生参数。流程过程的多因子物质流控制，就是通过综合调控这些基本参量来实现物质流的衔接、匹配、连续和稳定的。,冶金制造流程中时间因素的研究,时间是流程运行的一个基本变量。研究指出：不应该把时间简单地认为是一个随机自变量，不应该仅仅把时间作为各类过程，各种因子变化的坐标轴。 在冶金流程中，时间作为一个重要的目标值往往被忽视。 研究发现，如果从不同尺度，不同层次的视角去观察过程中时间变量参数，会有不同的概念和认识。在低层次的
16、过程中看似随机的、无序的时间值，在高一层次或更大尺度上看，恰是有序的，甚至是有重要意义的临界值。为了揭示时间因子在流程动态协调运行中的作用，时间参数在流程中的表现形式可以区分为时间点、时间序、时间域、时间位，时间周期、时间节奏等概念。将时间因子作为流程系统动态运行过程中的目标函数来研究，会有效地促进由不同操作方式的工序所构成的复杂生产流程实现稳定、连续/准连续运行。,现代电炉炼钢冶炼周期综合控制理论的研究,以废钢为主要原料的电炉流程生产方式，是另一种重要钢铁生产流程。 传统的电炉炼钢法，冶炼周期长，不可能和连续铸钢工序协调-连续化地运行。为使电炉流程生产能够连续紧凑、动态有序地运行，必须改造传统电炉工序的构成模式，即要把还原熔炼的功能调整到出钢以后，而且往电炉引入化学热和物理热源。在此基础上，对电炉工序的冶炼时间作为一个重要的目标函数进行研究尤有必要。傅杰教授研究提出的现代电炉冶炼周期的综合控制理论，很好地反映现代电炉炼钢工序运行过程的内在规律，有利于使电炉炼钢和连铸协调-连续运行。随着我国废钢积累的增加，电炉炼钢技术的发展及其冶炼周期的优化，将会受到更
