鋼鐵制造流程智能制造與智能設(shè)計(jì)的分析及研究

平 偉

（河鋼集團(tuán)承鋼公司板帶事業(yè)部，河北 承德 067000）

制造業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)的中心，是建國、強(qiáng)國之基、興國之器。我國想要增強(qiáng)國力、成為世界強(qiáng)國就必須使我國的制造業(yè)在世界上站穩(wěn)腳跟。從改革開放至今，中國制造業(yè)迅速成長起來，擁有多樣化、完整的產(chǎn)業(yè)體系，加快了成為世界大國的腳步。不過，我們和別的國家相比，還存在著較大的差距，我們升級(jí)制造業(yè)的任務(wù)很艱難。對(duì)此，我國提出了智能制造這一重大措施。智能制造是計(jì)算機(jī)技術(shù)和超前制造技術(shù)的結(jié)合。要想使我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展推動(dòng)發(fā)展智能制造是唯一出路，而智能設(shè)計(jì)又是其中主要的一步。

1 鋼鐵制造流程智能制造的主要內(nèi)容

1.1 智能制造的內(nèi)涵及組成

鋼制造過程智能制造包含很多流程，比如:智能化流程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品運(yùn)營、管理、服務(wù)體系等[1]。鋼制造過程智能制造內(nèi)涵是環(huán)繞“產(chǎn)品制造、能量變換、垃圾處理及利用”三個(gè)方面，其主要構(gòu)成有：

（1）目的是提高產(chǎn)品質(zhì)量，通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),來加強(qiáng)鋼質(zhì)量的穩(wěn)定、靠譜和通用等性能。

（2）目的是節(jié)省資源、減少污染，愛護(hù)自然、綠色發(fā)展。（3）優(yōu)化各個(gè)步驟形成智能化經(jīng)營。

（4）通過反復(fù)利用資金，加快企業(yè)資金流通及增值。（5）以拉伸產(chǎn)業(yè)鏈為目的，提倡低碳環(huán)保、再利用。（6）加速升級(jí)鋼鐵業(yè)的步伐。

1.2 智能制造的具體內(nèi)容

鋼制造過程智能制造是針對(duì)整個(gè)鋼鐵企業(yè)的措施，它的具體內(nèi)容有：

（1）鋼制造過程智能設(shè)計(jì)。它是建立前衛(wèi)的物理系統(tǒng)的始點(diǎn)，同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)和它組成的硬件網(wǎng)絡(luò)有益于數(shù)字信息簡便、快速地與之結(jié)合。智能設(shè)計(jì)是研究各個(gè)智能化的綜合措施。

（2）智能化物流。包含材料購買、存儲(chǔ)、運(yùn)送和合理分配，包括產(chǎn)品訂單、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和售賣的最大合理化。因此，它包含了企業(yè)物流運(yùn)入和運(yùn)出的智能化問題。

（3）智能化管理。它包含了從焦化、燒結(jié)開始到軋鋼生產(chǎn)流程中動(dòng)態(tài)運(yùn)行的、不斷變換的物質(zhì)流、能量流和各個(gè)信息流。

（4）智能化經(jīng)營服務(wù)。它綜合了高層次的各個(gè)系統(tǒng)，包含經(jīng)營戰(zhàn)略計(jì)劃、經(jīng)濟(jì)運(yùn)籌、顧客服務(wù),并延展到和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)相匹配的高層次目標(biāo)的決定與實(shí)施。

（5）前衛(wèi)的感知設(shè)備。與它有關(guān)的前衛(wèi)傳感零件、儀器儀表、各類自動(dòng)化控制、制造平臺(tái)、可視化等具體主要共性技術(shù)。

2 鋼鐵制造流程智能設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

2.1 鋼制造流程全過程智能設(shè)計(jì)

（1）研究建立動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確設(shè)計(jì)體系。以鋼制造過程中的焦化、燒結(jié)、煉鋼鐵、軋鋼、冶金設(shè)備、自然與資源等為主要研究內(nèi)容，以“三流、一態(tài)”為指導(dǎo)，使用前衛(wèi)的三維仿真設(shè)計(jì)技術(shù)，來突破鋼制造過程的數(shù)字化。

（2）研究現(xiàn)代鋼制造過程工藝技術(shù)和設(shè)備。通過生產(chǎn)焦化、燒結(jié)、煉鋼鐵、軋鋼過程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬，優(yōu)化鋼制造過程工藝技術(shù)，來提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，全方位提高鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究近代大型搗固焦?fàn)t系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源的高效，降低資源損失；研究近代球團(tuán)工藝，減少有害氣體及其它污染物的排放；研究靠譜能用的界面技術(shù)，增強(qiáng)資源轉(zhuǎn)換能力。

（3）建立了前衛(wèi)的冶金3d模擬設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)。在鋼鐵行業(yè)將此平臺(tái)大面積推廣，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化鋼制造過程打下基礎(chǔ)。

2.2 鋼制造過程各工序智能設(shè)計(jì)

（1）焦化工序。以可再生燃燒、氣門加熱、低排放量為基礎(chǔ)，現(xiàn)代大規(guī)模搗固焦?fàn)t系統(tǒng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煤炭能源的有效利用，降低資源和能源的損失。對(duì)焦化中的能量轉(zhuǎn)換、焦?fàn)t加熱、儀器操作等技術(shù)過程的模擬研究，構(gòu)筑了實(shí)現(xiàn)力學(xué)操作管理的力學(xué)正確操作系統(tǒng)[2]。

（2）燒結(jié)球團(tuán)工序。開發(fā)了現(xiàn)代球團(tuán)流程，以實(shí)現(xiàn)高效率、低耗、低排放，并降低有害氣體的排放量。利用3d模擬技術(shù)，對(duì)燒結(jié)、燃燒、傳熱、質(zhì)量和工藝傳遞等過程進(jìn)行了分析，控制了合適的冶金步驟，開發(fā)了低碳厚料燒結(jié)工藝和一系列新工藝；對(duì)制球、預(yù)熱、烘焙等流程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并和結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，加強(qiáng)了生產(chǎn)效率、減少了能量消耗；開發(fā)了3d模擬和物理模型，并開發(fā)了一種新的燃燒器干燥法脫硫和新的清洗過程。

（3）煉鐵工藝。以三維模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，直接還原反應(yīng)的冶金過程進(jìn)行研究，數(shù)學(xué)模型和適用CFD的數(shù)據(jù)，分析氣體運(yùn)動(dòng)、燃燒、傳熱、質(zhì)量等運(yùn)輸過程，并解釋過程的應(yīng)用具備的可行性和可靠性的冶金設(shè)備以及設(shè)備的開發(fā)。在建立數(shù)學(xué)以及物理模型研究中具有重要的儀器設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、精確設(shè)計(jì)、當(dāng)季3d模擬技術(shù)、生產(chǎn)過程三維虛擬計(jì)算等。

（4）鋼鐵工程智能設(shè)計(jì)。冶金流程編制根據(jù)的理論和方法，依據(jù)非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃和動(dòng)態(tài)設(shè)立數(shù)學(xué)模型，鋼鐵制造過程鐵物質(zhì)流和能量流優(yōu)化操作設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用鋼鐵廠開發(fā)的一系列技術(shù)從而提高效率。建立模擬模型，研究鐵水脫硫、脫磷、脫硅預(yù)處理過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，提高處理效率，減少能量損失。

（5）軋鋼工程智能設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究著眼于高效連續(xù)鑄造來實(shí)現(xiàn)鐵能源的高效利用。研究大規(guī)模寬帶鋼熱連軋工藝3d模擬設(shè)計(jì)，建立3d模擬裝備信息管理體系，支持生產(chǎn)的有效運(yùn)營管理。以模擬模型研究為基礎(chǔ)，研發(fā)高性能優(yōu)質(zhì)鋼的加熱、軋制及熱處理模擬流程，通過研究鋼鐵滾動(dòng)過程中的變形、變溫的規(guī)律，研究出多種新技術(shù)，持續(xù)更新棒材、線材模擬設(shè)計(jì)，研究功能多的新型軋機(jī)。

（6）冶金設(shè)備智能設(shè)計(jì)。冶金設(shè)備設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)計(jì)兩大類，與工程設(shè)計(jì)存在一定的差別。以大規(guī)模關(guān)鍵冶金設(shè)備3d模擬設(shè)計(jì)開發(fā)為主要研究項(xiàng)目，在三維空間中，大跨度的模型應(yīng)用分析軟件計(jì)算，研究裝備在作業(yè)時(shí)的力學(xué)和熱力學(xué)的改變。基于3d模擬機(jī)械設(shè)計(jì)，將3d設(shè)計(jì)的結(jié)果延展到儀器制造。

（7）工業(yè)爐及設(shè)備智能設(shè)計(jì)。基于3d模擬模型，系統(tǒng)研究材料燃燒、氣體運(yùn)動(dòng)和加熱過程，進(jìn)行CFD數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，分析蓄熱燃燒，氧和高溫低氧燃燒的整個(gè)燃燒過程和工藝特性研究的基礎(chǔ)上，減少能源損耗、減少有害氣體的排放，現(xiàn)代燃燒加熱設(shè)備的出現(xiàn)，大大減少了能源損耗、減少了有害氣體的排放、增強(qiáng)了能量轉(zhuǎn)換及利用率。

（8）能源環(huán)境系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)。建立節(jié)能體系，以降低能源損耗、實(shí)現(xiàn)能源高效利用為目的，客觀看待能源輸入、輸出流程，以模擬計(jì)算為主要手段，設(shè)立以碳素能量流為中心的冶金能量流網(wǎng)絡(luò)，降低損耗，減少CO2排放，使資源能高效利用。冶金能源技術(shù)方面的主要研究內(nèi)容：設(shè)立冶金廠能量流網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)據(jù)模擬研究合理的提高能源利用率；創(chuàng)立鋼制造過程3d模擬資源管網(wǎng)體系，合理分配資源、降低損耗；完成諸多單元工序的工廠和管網(wǎng)的3d模擬設(shè)計(jì)[3]。

環(huán)境維護(hù)技術(shù)方面主要研究內(nèi)容：增強(qiáng)鋼鐵廠有害氣體的動(dòng)態(tài)數(shù)值化研究，利用數(shù)字解析方法，研究處理各類污染物的有效手段；利用3d模擬設(shè)計(jì)，研究新一代除塵器；研究新一代搜集和氣力傳送系統(tǒng)。

（9）電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)。現(xiàn)代鐵基于能量流的過程和流程的網(wǎng)絡(luò)理論，設(shè)立鋼制造過程3d電力網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，基于優(yōu)化數(shù)字設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合理的鋼結(jié)構(gòu)過程傳輸和分配發(fā)電設(shè)施，達(dá)到能量最大程度的轉(zhuǎn)換，降低電力損失，使鋼鐵廠能夠自己供應(yīng)電力資源。持續(xù)改進(jìn)數(shù)字化模型的研究，以此推動(dòng)技術(shù)前進(jìn)的步伐。

（10）建筑工程系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)。以建筑工程3d模擬設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，進(jìn)行大規(guī)模高爐、鋼鐵制造等主要冶金工程的3d結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。邁達(dá)斯公司在二次開發(fā)技術(shù)上不斷創(chuàng)新，開發(fā)了冶金裝備基礎(chǔ)柱、土木工程結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)機(jī)架等的3d模擬設(shè)計(jì)改進(jìn)，從事冶金工程3d模擬數(shù)字化、建筑結(jié)構(gòu)3d模擬計(jì)算等方面的研究。

3 結(jié)語

智能制造是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與前衛(wèi)制造技術(shù)的結(jié)合，包含計(jì)劃、生產(chǎn)、處理、服務(wù)等諸多活動(dòng)。完成制造的多方向發(fā)展，其中，數(shù)字化是基本，網(wǎng)絡(luò)化是中心，智能化是方向。制造業(yè)包含流程型和離散型兩大類，鋼制造過程屬于基本的流程型，完成鋼制造的智能制造，是完成制造業(yè)智能制造的重中之重，而智能設(shè)計(jì)又是其中最重要的步驟。智能設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)將人的大腦活動(dòng)虛擬化，提升了計(jì)算機(jī)的智能化能力，從而使計(jì)算機(jī)可以承受更多艱巨的任務(wù)，成為人類的好幫手。