現代鋼鐵冶金工程設計方法研究

楊學釗

摘要：冶金工程設計對促進冶金工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有特殊的重要作用。 中國已經具備了現代大型鋼鐵廠的流程設計、工藝設計、設備設計以及系統集成能力，創(chuàng)建并應用動態(tài)-精準設計體系，建立了現代冶金廠工程設計理念、理論和設計方法，設計建設了具有國際先進水平的新一代可循環(huán)鋼鐵廠，在流程高效化、生產集約化、裝備大型化等方面取得顯著成效。

關鍵詞：現代鋼鐵；冶金工程；設計

一、鋼鐵冶金工程設計方法發(fā)展歷程與演進

（一）傳統鋼鐵冶金工程設計方法

冶金工程設計是運用冶金工程技術基礎科學、技術科學、工程科學的研究成果進行集成與應用，并實現工程化的一門綜合性學科。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)，而服務于鋼鐵制造流程的工藝裝備技術則屬于裝備制造業(yè)。就制造業(yè)而言，產品設計主要面向消費者用戶，工程設計主要面向生產產品的企業(yè)用戶。因此，冶金工程設計同時具有流程制造業(yè)與裝備制造業(yè)的雙重屬性。

（二）現代鋼鐵冶金工程設計方法的形成

工程理念是工程建造、工程運行的靈魂。承載工程理念的工程設計則是對工程項目建設進行全過程的總體性策劃和表述項目建設意圖的過程，是科學技術轉化為生產力的關鍵環(huán)節(jié)，是實現工程項目建設目標的基礎性、決定性環(huán)節(jié)。沒有現代化的工程設計，就沒有現代化的工程，也不會產生現代化的生產運行績效。

（三）工程方法論與現代鋼鐵冶金工程設計方法

鋼鐵冶金工程設計的最主要的命題是解決好整體流程的結構、功能和動態(tài)運行過程上的多目標優(yōu)化；解決好流程中工序/裝置之間動態(tài)-有序、協同-連續(xù)/準連續(xù)問題，并形成物質流、能量流網絡和信息流網絡；解決好工序、裝備和信息控制。

二、現代鋼鐵冶金工程設計方法

（一）鋼鐵制造流程的動態(tài)運行與界面技術

1.鋼鐵制造流程動態(tài)-有序運行過程中的動態(tài)耦合研究鋼鐵制造流程動態(tài)-有序運行的非線性相互作用和動態(tài)耦合是現代鋼鐵冶金設計方法重要內涵，主要體現在鋼鐵制造流程區(qū)段運行的動態(tài)-有序化、界面技術協同化和流程網絡合理化。不同工序/裝置在其動態(tài)-有序運行過程中的動態(tài)耦合是流程形成動態(tài)結構的重要標志。

2.鋼鐵制造流程界面技術協同化所謂“界面技術”是相對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、協調—緩沖技術及相應的裝置（裝備）。“界面技術”不僅包括相應的工藝、裝置，還包括平面圖等時-空合理配置、裝置數量（容量）匹配等一系列的工程技術。“界面技術”主要體現實現生產過程物質流（應包括流量、成分、組織、形狀等）、生產過程能量流（包括一次能源、二次能源以及用能終端等）、生產過程溫度、生產過程時間和空間位置等基本參數的銜接、匹配、協調、穩(wěn)定等方面。

“界面技術”是在單元工序功能優(yōu)化、作業(yè)程序優(yōu)化和流程網絡優(yōu)化等流程設計創(chuàng)新的基礎上，所開發(fā)出來的工序之間關系的協同優(yōu)化技術，包括了相鄰工序之間的關系協同-優(yōu)化或多工序之間關系的協同—優(yōu)化。

（二）現代鋼鐵冶金工程的概念設計

1.建立現代工程思維模式——概念設計概念設計是工程科學層次上的問題，首先要從創(chuàng)建流程的耗散結構、耗散過程出發(fā)，突出流程應該動態(tài)-有序、協同-連續(xù)運行的概念。在新一代鋼鐵制造流程的設計研究中，概念設計研究要建立起系統研究分析鋼鐵制造流程物理本質和動態(tài)運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態(tài)運行的規(guī)律和設計、運行的規(guī)則。因此，對新一代鋼鐵制造流程的研究首先應從研究整體流程的動態(tài)運行本質開始，進行流程層次上整體動態(tài)運行的概念研究。對流程動態(tài)運行進行理性抽象的方法是系統地思考生產流程動態(tài)運行的物理本質，用解析與集成的方法，整體研究流程動態(tài)運行的規(guī)律和設計運行的規(guī)則。

2.現代鋼鐵制造流程兩類基本流程的選擇結合市場需求和資源供給能力，針對現代鋼鐵制造流程已演變成的兩類基本流程進行選擇。一種是以鐵礦石、煤炭等天然資源為源頭的高爐-轉爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程或熔融還原-轉爐-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，無論何種流程結構，流程動態(tài)運行系統本身都是一種耗散結構，必須構建一個優(yōu)化的耗散結構，使物質流得以動態(tài)-有序、協同-連續(xù)地持續(xù)運行。

（三）現代鋼鐵冶金工程的頂層設計

鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展，必須在充分理解鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程物理本質的基礎上，進一步拓展鋼鐵廠的功能，以新的模式實現綠色化、智能化轉型，融入循環(huán)經濟社會。通過對鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程物理本質的研究，可以推論出現代鋼鐵制造流程應當具有“三個功能”：（1）鐵素物質流運行的功能——高效率、低成本、潔凈化鋼鐵產品制造功能。（2）能量流運行的功能-能源合理、高效轉換功能以及利用過程剩余能源進行相關的廢棄物消納-處理功能。（3）鐵素流-能量流相互作用過程的功能——實現過程工藝目標以及與此相應的廢棄物消納-處理-再資源化功能。現代鋼鐵制造流程工程頂層設計以概念設計為基礎，并確立鋼鐵制造流程中“流”的動態(tài)概念，強調以動態(tài)-有序、協同-連續(xù)運行的觀念，形成集成的、動態(tài)-精準運行的工程設計觀。在頂層設計中突出流程結構優(yōu)化和流程功能的拓展，以“三個功能”為設計的總體目標，強調以要素選擇、結構優(yōu)化、功能拓展和效率卓越為頂層設計的原則。在方法上強調從頂層（流程整體）決定底層（工序/裝置），形成從上層指導、規(guī)范下層的思維模式。

三、結語

冶金工程設計是將冶金科學技術轉化為生產力的關鍵環(huán)節(jié)，是體現技術和經濟雙重科學性的關鍵要素，是實現冶金工程建設目標的決定性環(huán)節(jié)，直接影響鋼鐵制造流程的競爭力和可持續(xù)發(fā)展，具有特殊的重要性。