钢铁制造流程的本质、功能与钢厂未来发展模式

钢铁制造流程的本质、功能与钢厂未来发展模式殷瑞钰钢铁研究总院2009年6月28日北京钢铁是“必选材料”，是可循环利用的材料。钢铁作为一种重要的结构材料及功能材料的位置，在可预见的时间范围内不会发生重大变化。钢铁工业属于流程制造业。它是由功能不同的制造工序（装置）通过组合-集成构建起来的。从工程系统看，经过长时间的演变，现代钢铁企业的制造流程已演变两类基本流程：1、以铁矿石、煤炭等天然资源为源头的高炉-转炉-热轧-深加工流程和熔融还原-转炉-热轧-深加工流程。2、以废钢为再生资源和电力为能源的电炉-精炼-连铸-热轧流程。这是以社会循环废钢、加工制造废钢、钢厂自产废钢和电力为源头的制造流程，即所谓电炉流程（图1）。图1两类钢铁制造流程示意图图2高炉－转炉－轧钢生产流程的演进从物理角度上看，钢铁企业的生产过程实质上是物质、能量以及相应信息的流动/流变过程。其动态-运行过程的物理本质是：物质流（主要是铁素流）在能量流（主要是碳素流）的驱动和作用下，按照设定的“程序”，沿着特定的“流程网络”作动态-有序的运行。从热力学角度上看：钢铁制造流程是一类开放的、非平衡的、不可逆的、由不同结构-功能的单元工序通过非线性耦合所构成的复杂系统，其动态运行过程的性质是耗散过程。在钢厂生产过程中，铁素物质流是一类多因子流，是被加工的主体。碳素能量流则作为驱动力、化学反应介质或热介质按照工艺要求对物质流进行加工、处理，使其发生位移、化学/物理转换，实现以制造过程中物质、能量“耗散最小化”为核心的多目标优化。例如生产效率高、产品质量优、能源消耗低、过程排放少、生产成本低、环境/生态友好等。从钢铁制造流程动态运行过程的物理本质出发，可以推出其功能应拓展为：1.铁素流运行的功能——钢铁产品制造功能；2.能量流运行的功能——能源转换功能以及与剩余能源相关的废弃物消纳-处理功能；3.铁素流-能量流相互作用过程的功能——实现过程工艺目标以及与此相应的废弃物消纳-处理功能。钢铁工业的未来发展，应该在充分理解钢铁制造流程动态运行过程物理本质的基础上，进一步拓展钢厂的功能，以新的模式实现生态化转型，融入循环经济社会。质量品种排放控制自然资源利用规模钢铁制造流程钢铁产品制造炉渣利用垃圾处理废钢污水处理废塑料能源效率制氢市场竞争力可持续发展资源、能源可供性提纲：一、关于钢铁产品制造功能二、关于能源转换功能以及相关的废弃物消纳-处理功能三、关于实现过程工艺目标以及相应的废弃物消纳-处理功能四、“洁净钢”平台的概念与涵义五、循环经济的有效实施——从“3R”原则到“五要素（“5E”）集成”六、关于实施循环经济过程中技术-经济因素的协调七、关于未来生态化钢厂的发展模式一、关于钢铁产品制造功能：钢铁产品制造功能是建立钢厂的初衷和基本出发点，在未来发展过程中，既要考虑市场竞争力，同时又必须重视可持续发展能力，对于新一代钢厂的产品制造功能，应该从如下视角出发来思考技术进步的战略性问题：——以过程耗散“最小化”为核心目标，建立动态-有序、连续-紧凑的新一代钢铁制造流程；——以过程冶金的解析-集成优化为原则，建立起针对不同产品的高效率、低成本“洁净钢平台”；——以材料工程为指导，规范不同钢铁产品的合理性能并实现产品换代。二、关于能源转换功能以及相关的废弃物消纳-处理功能：钢铁制造流程的物理本质和运行特征：由各种物料组成的物质流在输入能量的驱动和作用下，按照设定的工艺流程，使铁素物质流发生状态、形状和性质等一系列变化，成为期望的产品。在这过程中，物质流和能量流时而分离、时而相伴。相伴时，相互作用、影响；分离时，又分别表现各自的行为特征。2.1物质流与能量流的关系深入分析研究一下钢铁制造流程中物质流与能量流的行为和关系是有必要的。总的看来：在钢厂生产流程中，能量流与物质流是时合时分的。图3典型钢铁企业物质流及能量流运行网络与轨迹TRTCDQ石灰窑图4曹妃甸钢铁厂物质流(铁素流)运行网络与轨迹图5曹妃甸钢铁厂能量流(碳素流)运行网络与轨迹石灰窑发电从企业生产流程整体上看，物质流与能量流是相互关联的。但是，从物质流、能量流的运行轨迹看是时合时分的，并可以分别形成“物质流网络”和”能量流网络“，两者并不完全重合。从局部的工序/装置看，在输入端：物质流和能量流分别输入；在装置内部，则物质流与能量流相互作用、相互影响，在输出端：则往往表现为物质流带着部分能量输出，同时还有不同形式的二次能量流分别输出。这是因为在工序/装置中，有必要的过剩能量，才能保证工艺、加工过程中的效率，因此有剩余能量流输出是不可避免的。说明：入炉煤的成焦率按75.4%计，即1326kg干煤生产1吨焦炭；加热焦炉用的高炉煤气发热量为1000kcal/m3；干煤的相当耗热量为728kcal/kg。图6焦化系统的物料与能源利用框图焦炉煤气图7烧结系统的物料与能源利用框图图8高炉炼铁系统的物料与能源利用框图图9转炉炼钢系统的物料与能源利用2.2关于能量流转换功能和“能量流网络”在研究钢铁制造流程的能源转换功能时，也应该建立起能量流的“流”、“能源转换程序”和与之相关的“能源转换网络”的动态-有序、输入-输出概念，其中包括了有关钢厂能量流运行的时间-空间-信息概念。而不能局限在质-能衡算的概念上。现在，国际顶级的高炉-转炉-热轧生产流程也还有38%左右的能源未被铁素物质流充分回收利用，为了充分利用钢厂生产过程输入的一次能源和能源转换过程中产生的二次能源，应该作如下通盘思考：——以输入-输出的模型研究钢厂能量流与物质流的关系，以及其中能量流的行为；——以功能-效率为目标，研究一次能源、二次能源使用顺序；——以连续实时调控和近“零”排放为目标，以图论等方法手段，研发钢厂“能源转换网络”（“能量流网络”）；——开发有关铁素物质流运行过程的节能减排技术；——研究二次能源充分利用条件下的不同钢铁制造流程的极限能耗量值；——研究钢铁制造流程的结构与吨钢CO2排放的关系……三、关于实现过程工艺目标以及相应的废弃物消纳-处理功能从钢铁生产过程中物质流和能量流的运行看，都会产生副产品、废弃物、余热、余能等物质、能量的排放，这些排放过程及排放物构成了对环境、生态的不良影响。钢铁工业应对环境-生态的对策，纵观国际动态，大体上经历了如下过程：图10国际钢铁工业环境保护的发展进程示意图图11流程制造业与循环经济的关联在钢铁制造流程的物质流运行、能量流运行的物质流-能量流相互作用过程中，都存在着消纳-处理废弃物并使之资源化、能源化的可能性。例如在物质流运行过程中消纳废钢，处理烟尘、铁鳞等含铁废弃物，回收利用Cr、Ni、Cu、Zn等金属。在能量流的运行过程中消纳-处理废塑料、废轮胎、处理社区污水、处理垃圾甚至大量制氢等。在延伸生态-工业链的过程中和水泥、建材、发电等产业链接。在未来发展循环经济的过程中，钢厂生产过程应是重要切入点，因为钢厂具有资源-能源密集、物流运输密集的、资金流密集等特点：资源密集、能源密集：在钢铁联合企业内，每吨钢将消耗0.6～0.8t标准煤、1.50～1.55t铁矿石、80～150kg废钢、3～6t新水；由此形成了大量的物质、能量的输入与输出；生产规模大、物流吞吐大：现代化钢厂的基本级别已经大致地分为年产钢800～1000万t，600～800万t，300～400万t及100～200万t等级别；由此伴随着巨大的运输物流和资金流；钢铁制造流程工序多、结构复杂；由此可形成若干产业链接关系；钢铁制造流程中伴随着大量物质和能量排放，并形成了复杂的环境界面，其中蕴含着大量的“减量化、再利用、再循环”的机会。四、“洁净钢”平台的概念与涵义4.1何谓“平台”所谓“平台”，在流程工业中“平台”应是某种基础性、通用性、集成性的制造系统，“平台”应是诸多技术模块的优化及其相互之间的组合集成。开发“平台”系统是一种组合集成战略。从技术进步的角度上看，“平台”战略意味着技术进步的着眼点从以工序、装置为主的“位空间”的优化集成发展到以“流空间”的优化集成的新水平、新层次。图12点空间、位空间、流空间示意图所谓“流空间”意味着全厂性的制造流程或是区段性的制造流程。当然，“流”空间的优化集成是以“点空间”和“位空间”的优化集成为基础，但又超越了“点空间”和“位空间”原有层次的；同时,“流空间”优化集成的目标还引导着/制约着“位空间”参数的优化（包括物质、能量、时间、空间等参数的优化和协同）。“平台”战略是一种组合集成技术，是一种多目标优化的技术群(包),“平台（技术）”对绝大多数产品具有可对接性或可生长性。4.2何为“洁净钢”“洁净钢”不同于“纯净钢”的概念。“洁净钢”并不意味着越纯越好。“洁净钢”定义：当钢中的非金属夹杂物或其它有害物质直接或间接地影响产品的加工性能或使用性能时，该钢就不是洁净钢；而如果钢中的非金属夹杂物和有害杂物的数量、尺寸或分布对产品的加工性能、使用性能都没有不良影响，则这种钢就可以被认为是洁净钢。“洁净钢”的概念不仅具有质量含义，而且具有经济含义，无论是普通商品钢材还是高档商品钢材乃至尖端商品钢材的工业生产而言，都应建立起“洁净钢”的概念。4.3经济洁净度对于钢厂生产优质商品钢材而言，更应重视构建经济洁净度的洁净钢生产平台。经济洁净度的含义是：对钢厂而言，所生产的产品易于实现生产的高效率、低成本特别是质量稳定性等要求；对于用户而言，则是钢厂生产的商品钢材，可以满足其加工过程和使用过程的各类要求，同时这些商品钢材的性能是稳定、均匀的，可以及时交货，价格也是合理的。表1典型钢种洁净度的建议控制水平注：*表示要求严格控制连铸坯的中心偏析，/表示不作要求。图13不同商品钢材的市场份额和技术难度技术难度项目质量稳定性难度生产效率难度成本难度性能难度普通商品＋＋＋＋＋＋中档商品＋＋＋＋＋＋＋＋高档商品＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋尖端商品＋＋＋＋＋＋＋＋＋表2不同商品钢材的技术难度比较注：＋：一般；＋＋：较高；＋＋＋：很高；＋＋＋＋：极高4.4洁净钢“平台”所谓洁净钢“平台”，应该是一种用以高效率、低成本、稳定地生产洁净钢的基础性、通用性的集成性技术系统（技术群）。由于不同用途钢材所承受的加工过程、使用状况不同，相应的经济洁净度要求不同，成本/价格要求不同，批量规模也不同；因此，生产不同类型商品钢材的洁净钢“平台”有不同的模式。应当注意到：洁净的“平台”是新世纪具有普适性的集成技术，不仅适合于高档商品钢、中档商品钢和尖端商品钢，也适用于量大面广的普通商品钢的生产。4.5怎样构建“洁净钢”制造平台洁净钢制造平台是一种技术集成的体现，在构建洁净钢平台时将涉及工程设计、生产运行以及相应的管理。过程工艺技术的优化及其集成洁净钢制造平台需要有一系列支撑技术和集成技术构建而成。其中应该包括：1）解析-优化的铁水预处理技术；2）高效-长寿的转炉冶炼技术；3）快速-协同的二次冶金技术；4）高效-恒速的全连铸技术；5）优化-简捷的“流程网络”技术；6）动态-有序运行的物流技术。可以认为，上述6项技术中前4项技术属于基础支撑型技术，而优化-简捷的流程网络技术（例如合理的平面布置图等）则是集成技术。所谓“流程网络”是指在流程系统中将“资源流”、“节点”和“连接器”整合在一起的物质-能量-时间-空间结构，主要体现为一种静态的集成框架。动态-有序运行的物流技术（例如物流运行动态调控系统），则体现了动态运行的集成性“程序”，两者均属集成性的技术。因此，可以清楚的看出，铁水预处理-转炉冶炼-二次冶金-全连铸等基础支撑型技术要通过优化-简捷的“流程网络”技术和动态-有序运行的物流技术，将之组合集成在一起，构成动态-有序、高效率、低成本、稳定运行的集成性“平台”技术群。图14高效率-低成本的洁净钢平台技术Ⅰ：解析-优化的铁水预处理技术；Ⅱ：高效-长寿的转炉冶炼技术；Ⅲ：快速-协同的二次冶金技术；Ⅳ：高效-恒速的全连铸技术；Ⅴ：优化-简捷的“流程网络”技术；Ⅵ：动态-有序运行的物流技术。ⅠⅡⅢⅣⅠ：解析-优化的铁水预处理技术；Ⅱ：高效-长寿的转炉冶炼技术；Ⅲ：快速-协同的二次冶金技术；