現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法研究

楊學(xué)釗

摘要：冶金工程設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)冶金工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有特殊的重要作用。 中國(guó)已經(jīng)具備了現(xiàn)代大型鋼鐵廠的流程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成能力，創(chuàng)建并應(yīng)用動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)設(shè)計(jì)體系，建立了現(xiàn)代冶金廠工程設(shè)計(jì)理念、理論和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)建設(shè)了具有國(guó)際先進(jìn)水平的新一代可循環(huán)鋼鐵廠，在流程高效化、生產(chǎn)集約化、裝備大型化等方面取得顯著成效。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代鋼鐵；冶金工程；設(shè)計(jì)

一、鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程與演進(jìn)

（一）傳統(tǒng)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法

冶金工程設(shè)計(jì)是運(yùn)用冶金工程技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、工程科學(xué)的研究成果進(jìn)行集成與應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)工程化的一門綜合性學(xué)科。制造業(yè)主要分為流程制造業(yè)與裝備制造業(yè)兩大類，鋼鐵制造屬于典型的流程制造業(yè)，而服務(wù)于鋼鐵制造流程的工藝裝備技術(shù)則屬于裝備制造業(yè)。就制造業(yè)而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要面向消費(fèi)者用戶，工程設(shè)計(jì)主要面向生產(chǎn)產(chǎn)品的企業(yè)用戶。因此，冶金工程設(shè)計(jì)同時(shí)具有流程制造業(yè)與裝備制造業(yè)的雙重屬性。

（二）現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法的形成

工程理念是工程建造、工程運(yùn)行的靈魂。承載工程理念的工程設(shè)計(jì)則是對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)行全過(guò)程的總體性策劃和表述項(xiàng)目建設(shè)意圖的過(guò)程，是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)性、決定性環(huán)節(jié)。沒(méi)有現(xiàn)代化的工程設(shè)計(jì)，就沒(méi)有現(xiàn)代化的工程，也不會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)代化的生產(chǎn)運(yùn)行績(jī)效。

（三）工程方法論與現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法

鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的最主要的命題是解決好整體流程的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程上的多目標(biāo)優(yōu)化；解決好流程中工序/裝置之間動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)問(wèn)題，并形成物質(zhì)流、能量流網(wǎng)絡(luò)和信息流網(wǎng)絡(luò)；解決好工序、裝備和信息控制。

二、現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法

（一）鋼鐵制造流程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行與界面技術(shù)

1.鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)耦合研究鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的非線性相互作用和動(dòng)態(tài)耦合是現(xiàn)代鋼鐵冶金設(shè)計(jì)方法重要內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在鋼鐵制造流程區(qū)段運(yùn)行的動(dòng)態(tài)-有序化、界面技術(shù)協(xié)同化和流程網(wǎng)絡(luò)合理化。不同工序/裝置在其動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)耦合是流程形成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)志。

2.鋼鐵制造流程界面技術(shù)協(xié)同化所謂“界面技術(shù)”是相對(duì)于鋼鐵制造流程中煉鐵、煉鋼、鑄錠、初軋（開坯）、熱軋等主體工序之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)—緩沖技術(shù)及相應(yīng)的裝置（裝備）?！敖缑婕夹g(shù)”不僅包括相應(yīng)的工藝、裝置，還包括平面圖等時(shí)-空合理配置、裝置數(shù)量（容量）匹配等一系列的工程技術(shù)。“界面技術(shù)”主要體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程物質(zhì)流（應(yīng)包括流量、成分、組織、形狀等）、生產(chǎn)過(guò)程能量流（包括一次能源、二次能源以及用能終端等）、生產(chǎn)過(guò)程溫度、生產(chǎn)過(guò)程時(shí)間和空間位置等基本參數(shù)的銜接、匹配、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定等方面。

“界面技術(shù)”是在單元工序功能優(yōu)化、作業(yè)程序優(yōu)化和流程網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等流程設(shè)計(jì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，所開發(fā)出來(lái)的工序之間關(guān)系的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，包括了相鄰工序之間的關(guān)系協(xié)同-優(yōu)化或多工序之間關(guān)系的協(xié)同—優(yōu)化。

（二）現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的概念設(shè)計(jì)

1.建立現(xiàn)代工程思維模式——概念設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)是工程科學(xué)層次上的問(wèn)題，首先要從創(chuàng)建流程的耗散結(jié)構(gòu)、耗散過(guò)程出發(fā)，突出流程應(yīng)該動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行的概念。在新一代鋼鐵制造流程的設(shè)計(jì)研究中，概念設(shè)計(jì)研究要建立起系統(tǒng)研究分析鋼鐵制造流程物理本質(zhì)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特征的工程思維模式，采用解析與集成的方法，整體研究鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的規(guī)律和設(shè)計(jì)、運(yùn)行的規(guī)則。因此，對(duì)新一代鋼鐵制造流程的研究首先應(yīng)從研究整體流程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行本質(zhì)開始，進(jìn)行流程層次上整體動(dòng)態(tài)運(yùn)行的概念研究。對(duì)流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行理性抽象的方法是系統(tǒng)地思考生產(chǎn)流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的物理本質(zhì)，用解析與集成的方法，整體研究流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的規(guī)律和設(shè)計(jì)運(yùn)行的規(guī)則。

2.現(xiàn)代鋼鐵制造流程兩類基本流程的選擇結(jié)合市場(chǎng)需求和資源供給能力，針對(duì)現(xiàn)代鋼鐵制造流程已演變成的兩類基本流程進(jìn)行選擇。一種是以鐵礦石、煤炭等天然資源為源頭的高爐-轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程或熔融還原-轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程；另一種是以廢鋼為再生資源和電力為能源的電爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程。研究表明，無(wú)論何種流程結(jié)構(gòu)，流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)本身都是一種耗散結(jié)構(gòu)，必須構(gòu)建一個(gè)優(yōu)化的耗散結(jié)構(gòu)，使物質(zhì)流得以動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)地持續(xù)運(yùn)行。

（三）現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的頂層設(shè)計(jì)

鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展，必須在充分理解鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展鋼鐵廠的功能，以新的模式實(shí)現(xiàn)綠色化、智能化轉(zhuǎn)型，融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。通過(guò)對(duì)鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程物理本質(zhì)的研究，可以推論出現(xiàn)代鋼鐵制造流程應(yīng)當(dāng)具有“三個(gè)功能”：（1）鐵素物質(zhì)流運(yùn)行的功能——高效率、低成本、潔凈化鋼鐵產(chǎn)品制造功能。（2）能量流運(yùn)行的功能-能源合理、高效轉(zhuǎn)換功能以及利用過(guò)程剩余能源進(jìn)行相關(guān)的廢棄物消納-處理功能。（3）鐵素流-能量流相互作用過(guò)程的功能——實(shí)現(xiàn)過(guò)程工藝目標(biāo)以及與此相應(yīng)的廢棄物消納-處理-再資源化功能?，F(xiàn)代鋼鐵制造流程工程頂層設(shè)計(jì)以概念設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并確立鋼鐵制造流程中“流”的動(dòng)態(tài)概念，強(qiáng)調(diào)以動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行的觀念，形成集成的、動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)運(yùn)行的工程設(shè)計(jì)觀。在頂層設(shè)計(jì)中突出流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流程功能的拓展，以“三個(gè)功能”為設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)以要素選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能拓展和效率卓越為頂層設(shè)計(jì)的原則。在方法上強(qiáng)調(diào)從頂層（流程整體）決定底層（工序/裝置），形成從上層指導(dǎo)、規(guī)范下層的思維模式。

三、結(jié)語(yǔ)

冶金工程設(shè)計(jì)是將冶金科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是體現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙重科學(xué)性的關(guān)鍵要素，是實(shí)現(xiàn)冶金工程建設(shè)目標(biāo)的決定性環(huán)節(jié)，直接影響鋼鐵制造流程的競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展，具有特殊的重要性。