过程工程概述

钢铁制造过程工程概述新区技术科李全君概要1、前言2、钢铁制造过程工程概要3、炼钢系统的运行原则与控制策略4、炼钢系统的运行控制方法5、结论1、前言近年来在高效连铸技术的不断推动下，我国钢铁工业的结构不断优化，生产逐步走向专业化，炼钢系统运行过程连续化程度日益增加。如何改善/提高炼钢厂的运行效率，优化系统的运行过程，对于提高我国炼钢厂的总体水平既有重要的现实意义，又有重大的战略意义。本报告是在对炼钢厂长期进行多维物流管制研究与实践的基础上，根据处理复杂巨系统的方法论—从定性到定量综合集成方法，归纳、总结以往的研究成果而形成的。2、钢铁冶金过程工程概要2.1、冶金—材料学科在科学认识上的层次性分析2.2、冶金学科发展的背景2.3、钢铁冶金流程中的工程科学问题2.4、钢铁制造流程的解析与集成2.5、钢铁制造流程的多维物流管制2.6、钢铁制造过程系统的运行动力学表2钢铁生产工艺流程在科学认识上层次性分析研究方法科学性质分类研究尺度白箱黑箱层次控制基础科学原子/分子原子/分子系统背景微观-/PLC技术科学场域/装置场域/装置分子/流程中(介)观PLC/MIS工程科学流程/复杂系统流程/工序关系分子/场域整体/系统MIS/CIMS2.1冶金—材料学科在科学认识上的层次性分析●基础性科学—主要解决分子、原子尺度上的问题；●技术科学—主要解决工序、装置、场域尺度上的问题；●工程科学—主要解决制造流程整体尺度和流程中工序/装置之间关系衔接匹配、优化的问题。不同层次科学的研究目标虽有分工，研究方法在某些方面却有类似之处，都是白箱/黑箱法。然而，在实现信息调控方面是有层次性区别的。2.2冶金学科发展的背景20世纪90年代后，钢铁企业面临的挑战，已不是单一的质量、性能问题，而是成本、质量/性能、过程排放、过程综合灵活控制、环境、生态等多目标群，要认识、解决这类多目标群的挑战，必须从整体上研究钢铁制造流程的本质、结构和运行特征。流程制造业在进入21世纪后,更紧迫地面临信息技术的挑战、面临环境-生态问题的日益紧迫,而必须解决结合现代信息技术和环境-生态观念形成的整体流程集的过程工程问题。2.3——冶金流程学（冶金过程工程）过程工业：一类以物质体系的化学、物理转变为主要目标的制造工业。冶金、化工、建材、石化、生化、制药等属于过程工业。2.3.1过程工业生产流程的特点—一类非常复杂的系统，是非平衡、非线性的过程系统；—多组元、多相态、多层次性；—同一层次的组元个数不同，组元间相互作用的关系不同，不同层次、不同尺度之间组元关系复杂；—不同组元个数、不同组元关系的不同集合，不同层次间关系的不同集合，形成了不同类型的流程结构（无序的、有序的、有序+无序的）；—不同结构的流程，构成了不同结构类型的工厂，就是不同的工厂模式。(1)研究过程工程的目的●通过研究过程工程—生产（制造）流程的结构，促进过程系统功能的优化（高层次、大尺度系统的功能优化），进而实现过程工程系统（多目标）效率的提高。●过程工程的工程目标是研究工艺流程、单元装置及其功能、过程的加工（或操作）步骤，促进物质流、能量流效率的提高，甚至归结到过程时间、空间的优化。●研究过程工程是为了构建开放的、循环的、受控的过程工程系统，包括过程中的动脉（主要是被加工的物质流）和静脉（加工过程中的排放流和循环流）。●通过研究过程工程—生产制造流程从简单到复杂的演变过程，进而使复杂化的问题进一步简化（过程简化、流程简化、结构简化、控制简化）。(1)过程工程的内涵和研究内容:过程工程学研究的是制造（生产）流程层次上所涉及的所有物理/化学转变、传递/输送现象、热量/能量传换、时间/时序安排、排放/循环优化等一系列知识的总和。2.3.2冶金过程工程的内涵和研究内容过程工程的研究旨在弄清楚：与物质制造过程（流程）相关的物质与能量流动与储存的动力；从资源的获得开始直到产品的产出、使用、消费、回收的循环过程。冶金过程工程，是解决在单元操作、单元工序/装置的功能解析—优化的基础上的工序/装置的关系协调优化，再推进到整个流程中工序/装置及其关系的重构性集成优化。(2)简单复杂简化——钢铁制造流程的演进趋势生产流程中所包涵的某一操作、某一装置、某一区段过程，甚至整个生产流程的结构—功能，往往经历了从简单到复杂再回归到简化的过程。研究这类大尺度过程系统的目的，要研究从简单到复杂的过程，进而使复杂化的问题进一步简化（过程简化、流程简化、结构简化、控制简化）。图3高炉－转炉－轧机生产流程的演进高炉混铁炉转炉模铸均热炉初轧机/开坯机加热炉二次成材连铸冷清理加热炉热轧机热清理加热炉热轧机热轧机加热炉角部加热热轧机缓冲加热精轧机卷取装置二次冶金转炉脱硅脱硫脱磷转炉(脱碳升温)脱硫脱硅脱硫1234567ba高炉与转炉之间:a--铁水进混铁炉入转炉；b--铁水脱硫入转炉；c--铁水脱硅、脱硫、脱磷入转炉(脱碳升温)；d--铁水脱硫、脱硅、脱磷入转炉(脱碳升温)。转炉之后:1--模铸钢锭冷装炉轧制(IC-CCR)；2--连铸坯冷装炉轧制(CC-CCR)；3--连铸坯热送轧制(CC-HCR)；4--无缺陷连铸坯直接热装炉轧制(CC-DHCR)；5--连铸坯直接轧制(CC-DR)；6--薄板坯连铸－连轧；7--薄带连铸。脱磷cd钢铁制造流程多维物流管制钢铁制造过程工程图1钢铁制造过程工程研究的主要内容方法调控策略研究钢铁制造过程（流程）工程的视角（1）制造流程整体性、复杂性的解析－集成研究。（2）制造流程历史演进性和运行动态性的分析－归纳研究。（3）对知识的层次性、结构性的探索、揭示研究（基础科学、技术科学、工程科学）。（4）对制造流程中工序/装置之间的界面技术的分析、开发、研究。对制造流程中工序/装置之间的界面技术的分析、开发、研究：（1）炼铁－炼钢系统界面（2）炼钢系统当中炉－机界面（3）炼钢－轧钢系统界面钢铁制造流程的解析与集成图2钢铁制造流程的解析和集成在不同层次上的涵义钢铁冶金工序功能：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。钢铁冶金工序功能的演进1、高炉–氧化物高效还原器–液态金属初始发生器和连续供应器–能量转换器和控制器–冶金质量初始控制器2、铁水预处理–冶金负荷和质量调节器–能量调节器–高炉－转炉过程连续作业的缓冲器3、转炉–快速、高效脱碳器–快速升温器–能量转换和发生器–优化脱磷器•钢铁冶金工序功能的解析4、电炉–废钢快速熔化器–适度脱磷、脱碳器–能量转换和控制器5、二次冶金–优化精炼器–炼钢炉－连铸机作业缓冲协调器–生产效率、效益倍增器6、连续铸钢–高效凝固器–优化成型器–冶金器–节能器7、轧钢–连续形变器–组织性能控制器–多层次附加处理器•钢铁冶金工序功能的解析钢铁制造过程中工序功能在工程上的组合优化钢铁生产流程科技进步的特点之一：对工序功能解析、分解、优化的基础上，将优化后的工序功能在工程上进行组合优化。组合优化的基本步骤：–单体组合优化•干熄焦（CDQ）•高炉炉顶余压发电（TRT）•高炉提高一代炉龄的年限•转炉提高炉龄•转炉复合吹炼•轧钢加热炉综合节能技术•以计算机为核心的自动控制与各单体工艺装备相结合的基础自动化–区段过程组合优化–系统运行过程的组合优化钢铁制造过程中工序功能在工程上的组合优化–区段过程组合优化•炼铁－烧结（球团）－焦化的组合工程•铁水预处理－转炉－二次冶金－连铸的组合优化车间•废钢预热－电炉－二次冶金－连铸的组合优化车间•无缺陷铸坯生产技术－高温铸坯输送技术－铸坯直接高温热装炉技术或直接轧制•控温－控轧－控冷技术–系统运行过程的组合优化•计算机集成制造系统（CIMS）表1钢铁冶炼工序的功能分布和组成工序任务高炉铁水预处理转炉电炉钢的二次冶金中间包结晶器还原增碳×××○××脱碳×○○××脱硫○/×○/○××脱磷×○//○○○/×××脱硅×○○×××升温×/○/○○/××脱氧××○○○×脱气××○×○×除夹杂×××××/○合金化××○○××均匀化○×○○×效果：很好；○一般；×没有。钢铁冶炼工序的功能分布和组成表2凝固、轧制工序功能分布和组成工序任务结晶器加热炉（均热炉）初轧机组中间加热炉终轧机组凝固××××成型××××组织性能○/○/×○/○/温控×○○/变形×××表面质量○/×/○○/○/内部质量×/○○/○○/效果：很好；○一般；×没有。凝固、轧制工序功能分布和组成表3炼钢过程工序功能的分解炼钢过程工序功能铁水预处理转炉二次精炼脱硅⊙○脱硫⊙○◎脱磷⊙○◎脱碳◎⊙⊙(*)升温⊙◎脱气◎⊙夹杂物形态控制◎⊙脱氧○⊙合金化◎⊙纯净化⊙◎⊙⊙：完成该功能的主要工序；◎：完成该功能的次要工序；○:在该工序退化的功能。*:超低碳情况下，真空脱碳更重要。炼钢过程工序功能的分解钢铁制造流程的多维物流管制图4物态转变、物性控制和物流管制的结合（1）钢铁制造流程多维物流管制的基本概念原料场焦化烧结（球团）高炉铁水预处理转炉精炼连铸机加热炉热连轧机物态转变、物性控制物质流图4物态转变、物性控制和物流管制的结合（2）钢铁制造流程多维物流管制的基本概念CAB化学冶金过程凝固过程物理冶金过程A:物态转变B:物性控制C:物流管制图5物质流、能量流、信息流融会贯通高炉－转炉－轧钢流程的演进过程钢铁制造过程的基本参数和派生参数三个基本参数：物质量(重量、质量、流量、浓度)、温度、时间对基本参数的要求：—能够贯通整个钢铁生产过程；—要在整个流程中都呈现连续“可微”的特征，可量化;—可用同一形式、同一单位贯穿整个制造流程的始末。派生参数:整个流程中以系列的反应变化、状态变化、形状变化、组成变化、性质变化等过程。－定义问题，确定目标–确定参数及其相互关系–收集和筛选数据–统计分析–建立物理模型和数学模型–编制软件–实际检验–总体评估钢铁制造流程多维物流管制的研究方法图7炼铁－炼钢－轧钢过程系统运行关系返回3、炼钢系统的运行原则与控制策略3.1.炼钢系统运行优化的理论基础——系统运行宏观动力学（钢铁制造过程工程调控策略）不同系统层次的表现形式：目标：“缓冲”，结果：均衡、快速、连续运行。图8炼钢厂运行优化的逻辑与实现关系炼钢厂的运行优化生产的稳定性生产的有序性生产的高效性生产的连续性炉机对应原则能耗最小原则拉速决定流量原则连浇原则3.2系统运行的原则与控制策略（1）“炉机对应”原则幻灯片92（2）“能耗最小”原则幻灯片93（3）“拉速决定流量”原则幻灯片94（4）“连浇”原则幻灯片95在炼钢厂中，炼钢、二次冶金和连铸是主要生产工序，因此本文阐述的控制策略就是立足于这3个工序，从钢铁制造过程多维物流管制的3个基本参数出发，来讨论系统调控过程中工序之间的关系及其约束。1）炼钢过程系统运行控制策略①各工序的工艺操作过程时间的优化及其时钟推进的优化，②各工序间输送/等待时间的优化、协调和最小化，③连铸中间包内钢水过热度的优化及由此反推二次冶金、炼钢工序钢水离站温度的优化范围，④工序间物质量－温度－时间（时钟）协调推进，⑤约束边界条件下的静态优化（收敛）和实际运作条件下的动态调控（发散－收敛）的结合。3.3炼钢系统的运行控制策略2）控制策略的表现形式（1）工序间作业时间合理调控策略τBOFτCCM，τR.FτBOFτCCM（6）其中：τBOF——转炉的作业时间，min；τCCM——连铸机的作业时间，min；τR.F——精炼装置的作业时间,min。2）调控策略的表现形式（2）工序作业时间合理波动范围的关系OFROBOFOCCM.式中符号的含义依次是：——连铸机工艺操作时间的合理波动范围，min；——转炉工艺操作时间的合理波动范围，min；——钢水精炼装置工艺操作时间的合理波动范围，min。（7）2）调控策略的表