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1、关于钢铁制造流程与产品优化问题的讨论13 研 3 班 隋艳龙 2013202115摘要:分析了钢铁制造流程和生产技术的发展现状 ,提出了 21 世纪我国钢铁工业优化钢铁制造流程、调整产品结构、提高产品质量以及节能、降耗、环保的新理念。关键词:钢铁工业;制造流程;产品结构; 产品质量;综合利用Discussion on Optimization of Steel Manufacture Flow Route and Steel ProductsSUI YanlongAbstract:The present paper analyzes the current situation on the S
2、teel Manufacture flow route and production technologies and puts forward a new conception of the optimized Steel Manufacture flow route, adjustment of product constitution, improvement of product quality as well as energy saving, reduction of materials consumption and environment protection for Chin
3、as Iron & Steel industry in The 21stCentury.Key words:Iron and steel industry; manufacturing flow route; product constitution; product quality;comprehensive utilization钢铁仍然是国民经济的基础材料,甚至可以说是“必选材料” 。从工艺技术上看,钢铁工业属于流程制造业。对于钢铁工业而言,生产流程对生产效率、产品成本、产品质量、产品品种、资源消耗、投资效益等技术经济目标群具有综合影响力,而且也直接影响过程排放、环境生态和资源/能源可供
4、性等可持续发展因素。面临 21 世纪经济全球化的趋势,全球钢铁工业的根本性命题是市场竞争力和可持续发展。这就要求全球钢铁工业都要从总体战略上来观察问题、解决问题,而不是把上述重大命题简单地割裂成为产量、规模、质量、品种等孤立问题,“头痛医头、脚痛医脚”地解决,甚至引起顾此失彼的矛盾;时至今日,应该从根本上考虑问题,追求从整体上来解决时代性的命题。1新世纪要注意研究钢铁制造流程的功能所谓过程可视为事物在给定的外界条件下从始态到终态的变化。这种始态到终态的变化包括了不同层次、不同尺度、不同结构上的变化。过程与流程的区别在于:过程是不同层次、不同尺度、不同结构条件下,事物在给定外界条件下从始态到终态
5、变化的泛称;而制造流程(也可称为“生产流程”,或简称为 “流程”) 则往往特指在工业生产条件下由不同工序和不同装备所组成的制造过程的整体集成系统。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- 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、发展的诸多方面具有极强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(图 1、图 2)。从科学技术角度上看,冶
6、金-材料学科是一个由基础科学( 解决原子-分子尺度上的问题)发展到技术科学(解决工序、装置、场域尺度上的问题的学科。看来,这些知识对于钢铁生产由技艺变为科学具有划时代的意义,但对于在新世纪钢厂的生存和发展而言还不够,还要在此基础上,进一步整合集成研究钢铁联合企业的生产流程尺度上的知识,解决市场竞争力和可持续发展问题,这就是工程科学方面的学问冶金流程工程学 1。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。什么是
7、流程?流程运行过程有 3 个要素:即“流” 、 “流程网络 ”、 “程序”(图 3)。具体在钢铁冶金制造( 生产)流程中这些要素的涵义是:(1)“流” 。它是泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式“资源”(或“事件”),对冶金流而言,“流”是一类多因子 (多维)“流” 。 “流”的多因子性包括了化学组分因子、物理相态因子、几何形状因子、表面性状因子、温度(能量) 因子和时间、时序因子。这种多因子“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”复合成制造(生产) 流程
8、中的物质流中。从调控角度上看,则体现为对制造(生产)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)的“多维”性上。 (2)“流程网络” 。 “流程网络”是为了适应将开放系统中的 “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。这个结构要求有静态的合理性特别是体现空间结构(例如结点数、连结方式、总平面布置等), 更重要的是要求在动态运行过程中体现出动态有序性、可连续性和紧凑性。此处所谓的“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。所谓的“结点”则
9、是包括了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手段、方式、装置等,例如管道、辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水包等。因此,也可以将“流程网络”看成是“结点” 、“连结器”的优化配置“资源流”运行的时-空边界。(3)“程序” 。简而言之,“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” 、
10、“策略”等的结合就反映出制造流程中多维物质流的总体调控策略和具体运行途径。因此钢铁生产流程的物理本质是一种多因子(多维) “流” 、在一个由不同性质的工序 (节点)及工序( 节点)之间连结器(例如铁路、辊道、管道、钢包、铁水罐、吊车等) 组成的复杂网络结构(流程网络框架)中,按一定的“程序”,动态有序地通过 ,同时实现某些目标群。从某种意义上讲,也是过程的复杂性和时间这两个因素在流程系统中演化的不可逆过程。钢铁生产流程追求的是一种动态有序的、连续的、紧凑的运行方式。也就是物质流在能量流的驱动下、在信息流的控制下,追求过程耗散最小化;即生产流程过程物质流耗散最小化、能量流耗散最小化,过程时间最小
11、化和过程所占空间最小化。进而促进各项技术经济指标多目标优化和使钢厂顺利地融入循环经济社会。钢铁工业的技术发展过程,实际是工序装置功能优化的进化过程;工序装置之间相互关系的演化过程以及由此引发的流程内工序、装置集合的重新构筑过程。这是钢铁企业在日常生产运行、技术改造、投资建设过程中应该认真研究、全面思考的工程科学层面上的问题。也是在新世纪里钢铁工业应该认真思考的实际问题。2我国钢铁工业流程优化的现状和发展中国钢铁工业近十几年来取得了持续高速增长的突出成绩。当然,国民经济持续快速增长的拉动是根本原因。从中国钢铁工业内部看,钢铁生产持续高速增长的主要原因之一是通过 6 项关键-共性技术的突破、优化和
12、集成 ,逐步形成了比较优化的制造工艺流程,并带动了产品、工艺、装备和管理结构优化,使企业竞争能力大大提高 2。2.1连铸生产的改善和发展,是我国钢铁生产流程有序优化的突破点,也是进一步优化的重点流程优化从技术上、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。必然应从流程中带有“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、物耗、慢节奏、低效率、低质量的平炉-模铸- 初轧/
13、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洁净钢生产技术(图 4),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、降低消耗与成本最重要的手段。第四,连铸向
14、高效、近终形方向的优化发展,形成了薄板坯连铸-连轧和薄带连铸等紧凑型流程。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-连铸- 连轧的高温热接并连续-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额也相应低,过程耗散少,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独特的热履历,使铸坯与轧材性能具有新的特征(图 5),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
15、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的角度来看,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,仍将是钢铁工业结构调整、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;2004 年一季度连铸比已达到 95.99 %;连铸机的水平不断提高 ,薄板坯连铸- 连轧流程已在 7个企业生产。2004 年 5 月中旬在包头举行的第二次薄板坯连铸-连轧工程技术研讨会,展示了我国在这一紧凑流程领域中,工艺、装备和生产效率、品种质量、相关
16、技术等方面的全新成果。2.2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高炉喷吹煤粉、高炉高效长寿、棒线材连轧、转炉溅渣护炉和流程结构调整的系统节能等技术。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,特别是中、小转炉的利用系数从 1990 年的 26.64 t/(td)提高到 1999 年的 53.08 t/(td);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(图 6)、高炉高效长寿的系统技术 ,带动和促进了高炉精料、高风温、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、
