1、冶金流程工程学概述,2008,自我介绍,贺东风电话：6233 3625，13810173944邮箱：,课程内容,冶金流程工程学概述（2学时）中国钢铁工业发展历程（2学时）流程制造与流程工程（2学时）钢铁制造流程与工程科学（2学时）钢铁制造流程的解析与集成（2学时）钢铁制造流程的多维物流控制（2学时）钢厂生产流程的运行动力学（2学时）新一代钢厂流程模式（2学时）,参考书目,殷瑞钰.冶金流程工程学，冶金工业出版社 宋吉荣. 工程系统分析，西南交通大学出版社 殷瑞钰. 冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化, 金属学报, Vol. 29, No. 7, 1993许国志.系统科学，上海科技教育出版社李士琦
2、.冶金系统工程，冶金工业出版社陆凤山.排队论及其应用，湖南科学技术出版社江景波，网络计划技术，冶金工业出版社,学习方法及考试安排,学习方法课堂讲授笔记和考勤相结合作业双向学习（反复强调）已掌握的知识在本课程中找落脚点遇到问题反过来寻找答案或解决办法,学习方法及时间安排,学习方法及考试安排,3.考试：随堂考试平时成绩：40分（考勤+课堂测试）考试：60分,冶金流程工程学概述,冶金流程工程学的提出背景冶金流程工程学的研究对象与研究内容冶金流程工程学的研究层次冶金流程工程学的发展历程,几个问题,对钢铁生产流程最熟悉的是？对钢铁生产流程最关心的问题是？对钢铁生产流程优化首先想到的是？说到冶金流程工程学
3、，大家首先想到的是？,课程由来,1999年硕士研究生选修 2002年博士研究生选修 2004年 殷瑞钰 院士 著作冶金流程工程学出版 2008年本科生必修人们越来越认识到从流程的角度进行工序间的匹配和整体优化的重要性；学科发展的三个条件：应用的推动，成熟的基础理论可资应用，具有相应的研究工具,高炉转炉轧钢生产流程的演进,模铸流程（2个）： 1、原料 2、烧结 3、矿槽 4、高炉出铁 5、兑铁 6、转炉出钢 7、浇注 8(8)、钢锭 9、均热炉 10、初轧机 11(11)、板坯库 12、加热炉 13、精轧机卷取 14、成品库 连铸流程（2个）： 1、原料 2、烧结 3、矿槽 4、高炉出铁 5、兑
4、铁 6、转炉出钢 7、精炼 8、连铸 9(9)、板坯库 10、加热炉 11、轧制卷取 12、成品库 薄板坯连铸连轧流程（1个) ： 1、原料 2、烧结 3、矿槽 4、高炉出铁 5、兑铁 6、转炉出钢 7、精炼 8、连铸 9、板坯输送 10、加热炉 11、轧制卷取 12、成品库关于钢铁生产流程的间歇/连续与紧凑问题的示意图,转炉的变革,原工艺：完成所有冶炼功能现工艺：功能单一化：脱碳，升温少渣冶炼冶炼周期缩短：2030分钟,电弧炉的变革,电弧炉的变革,电弧炉的变革,电弧炉的变革,原流程：废钢-三段式工艺电弧炉-模铸现工艺：废钢（或部分铁水）-电弧炉初炼-炉外二次精炼-连铸（或薄板坯连铸-连轧）冶
5、炼周期：4小时38分钟，节奏转炉化,铁水预处理的出现和变革,原流程：无铁水预处理现流程：铁水脱硫，铁水同时三脱，铁水脱硫、脱硅、脱磷,值得思考的问题,工序功能变化说明什么问题？工序功能演变和流程整体优化的关系？怎样变化的？变化的目的？变化是否合理？变化的选择？怎样选择？,值得思考的问题,单体工序的变革/淘汰/分解工序区段形式的变革/淘汰单体工序优化/区段优化/整体优化新一代钢铁制造流程整体优化的概念问题提出过程中的不同观点到现在为止达成的基本共识,冶金流程工程学产生的背景,钢铁制造流程工序功能演进钢铁制造流程竞争力的内涵新思考钢铁企业功能的重新定位当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,高炉
6、-转炉-连铸-轧钢生产流程的演进,钢铁制造流程工序功能演进,部分工序淘汰、消失新工序出现、发展工序功能单一化流程连续性增加生产节奏加快，总时间缩短紧凑化（总图布置）,钢铁制造流程竞争力的内涵新思考,钢铁制造流程竞争力的内涵新思考,钢铁制造流程竞争力的内涵新思考,低层次向高层次提升限制增加市场化程度增加考虑环保,钢铁企业功能的重新定位,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,资源贫乏和能耗高成为钢铁发展的限制性环节2006年我国铁矿石进口量达到了3. 26亿吨，铁矿石对外依存度达52%，2007年全年的铁矿石进口量达到3.7亿吨左右。2006年进口铁矿石价格上涨了7.5%，2007年在2006
7、年的基础上又涨了75%， 2008年又在2007年基础上又涨了65 ,钢铁制造高成本的时代已经到来。,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,钢铁生产呈区域性不平衡发展至2004年底 18 家大中型企业在省会城市或直辖市34 家建在100 万人口以上城市缺水严重的河北省钢产量超过亿吨，而在经济发达的珠江三角洲地区的却没有大型现代化钢铁联合企业，由于钢铁产品生产地远离需求地，与地区经济发展、利用国际铁矿石资源相脱离，造成运输成本上升、环境压 力增大。 产品附加值和产品质量有待提高环保不容忽视,钢铁企业功能的重新定位,单一产品生产向三大功能转化钢铁企业的发展应考虑：产品竞争力企业可持续发展,当前
8、形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,我国铁资源的进口量与钢铁积蓄量,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,20062010年 航空物探测量铁矿在内蒙、新疆、河北和桂西地区取得进展。 火山沉积变质优质锰矿勘查和西藏铬矿勘查有成果。 西北航空物探测量铁矿取得进展。 晋、冀、蒙、辽、湘中、滇东南、川、渝优质锰矿勘查有重大进展。 20112020年 西藏富铁、铜多金属成矿带资源情况基本清楚。 完成湘、粤西北、滇东北、湘渝黔交界、闽、粤东北优质锰矿勘查。 完成国外缅、越、蒙、秘和中亚的铁、锰、铬矿勘查。,当前形势下
9、钢铁制造流程所面临的问题和创新,我国节能降耗压力巨大,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,我国节能降耗压力巨大,国家十一五规划要求：亿元GDP能耗下降20%。 国家“钢铁产业发展政策”要求,美国规划中的能耗指标,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,提高主要工序的技术经济指标，以降低成本，提高劳动生产率和自动化程度，改善环境，最终形成国际先进水平流程。 发展薄板坯连铸连轧（TSCR）工艺新流程。 掌握发展新的原料制备工艺（球团、直接还原铁、废钢分类加工等）。 发展非高炉炼铁（COREX、HISmelt、FINEX等）。 提高数字冶金水平（质量控制、MES系统、智能化钢厂建设） 研究并
10、建设新的冶金工艺及流程（具有3R特征的可循环经济，绿色冶金流程）。,当前发展态势可简略归纳为：,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,当前科技创新重点 充分发挥炼钢科技创新在新一代钢铁生产过程中的核心作用21世纪先进钢铁厂是在20世纪现代化钢铁厂发展的基础上，为满足市场对钢铁产品的需求和钢铁企业与社会和谐发展的要求而建设的新型钢铁厂，其基本特点是：生产高效化、产品洁净化和对环境的无害化。,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新, 新一代钢铁流程将具有高效、低成本、稳定生产高品质钢材的钢铁产品制造功能；提高资源能源利用效率、显著降低污染物排放的能源、资源转换功能和大量消纳社会废弃物的再资源
11、化功能，这是应该树立的新理念。,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新, 钢铁生产是典型的流程制造业，因此树立新理念还必须结合流程工业的基本特点：系统复杂性、生产连续性、管理协调性和发展整体性，在有限的时间和空间内将复杂的钢铁生产工艺过程有机地融为一体，实现生产过程动态-有序、连续-紧凑和高效稳定的生产。,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,21世纪社会要求的新一代炼钢-连铸流程应实现以下发展目标： 流程应具备高效化的生产特点，可以大批量、低成本、稳定地生产各类不同品质的钢材； 新流程应具备资源/能源减量化、可循环和再利用的基本功能，建设环境友好型清洁生产的新流程；,当前形势下钢铁制造
12、流程所面临的问题和创新, 新流程应具备社会大宗废弃物无害化、资源化处理的功能，实现钢铁工业的可持续发展； 新流程的工艺程序、流程网络（平面图等）易于实现企业内部生产自动化、控制智能化和管理信息化。,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,总之，21世纪新型钢铁厂要实现钢铁厂功能的转变，将钢铁生产与能源转换、消纳社会废弃物三大功能有机地融为一体。与此同时，我们应该设想，能否通过35年努力使中国炼钢工艺和装备水平走到世界前列。,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,建设低成本、高效率的洁净钢生产平台 洁净钢的全面涵义（包括：洁净钢是包含全部钢材，但有不同程度要求的总体概念，满足用户在钢材加工
13、过程和使用过程的性能要求是基本涵义等等）,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,不断对洁净钢生产的装备、技术创新与优化对不同装备技术认真进行经济效果分析，冶金功能、流程衔接分析和合理使用。高效、快速精炼技术,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,转炉高效化生产技术开发 功能解析优化 高强度有效供氧 过程终点自动控制与自动炼钢,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,电炉生产优化 高效化学能输入与电能供给智能化控制 优化炉料配比及相应冶炼工艺优化 终点自动控制 余能回收和利用,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,高效化连铸技术的深入创新和发展 重点开发板坯高效化生产技术 稳定的低
14、过热度浇铸技术 保持结晶器液面稳定的高速浇铸工艺与装备技术 （包括结晶器结构与振动优化技术） 二冷优化技术 动态轻压下技术 电磁连铸技术 保护渣、耐材、保护浇铸等相关技术,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,炼钢连铸节能环保技术 转炉炼钢能耗为负值的系统技术。回收和有效利用两个环节同等重要 电炉余热余能回收系统技术 连铸坯热送热装技术,当前形势下钢铁制造流程所面临的问题和创新,新型（包括前沿）技术与装备的开发、应用 近终型连铸（连轧）的开发与优化 半凝固加工（制备、运输、成型、加工）的理论与实践 时空多尺度结构与效应在钢铁生产中的研究与应用 新型清洁能源的应用研究,综上所述,对钢铁制造流
15、程，：不能只单纯考虑单体工序的优化不能只考虑产品生产，还要考虑制造速度和可持续发展要从整体角度研究工序功能的优化重构,冶金流程工程学的研究对象和内容,研究对象工序工序界面流程整体,冶金流程工程学研究的内容主要：冶金制造（生产）流程的物理本质、结构和整体行为。,冶金流程工程学的研究对象和内容,钢铁流程的物质本质,制造流程的概念与要素从物理角度上看：钢铁制造流程是一种多因子（多维）“流”，在一个由不同性质的工序及工序之间连结器组成的复杂网络结构（流程网络框架）中，按一定的“程序”，动态有序地运行，同时实现某些目标群。从某种意义上讲，也是过程的复杂性和时间这两个因素在流程系统中演化的不可逆过程。流程
16、运行过程有三个要素：即流程网络，“流”，“程序”。,钢铁流程的物质本质,流程网络为适应在开放的流程系统中将“资源流”、“结点”和“连结器”整合在一起的物质-能量-时间-空间结构。要求有静态的合理性，特别是体现在空间结构（例如总平面布置等），更重要的是要能适应“资源流”在动态运行过程中可以体现出动态有序性、可连续性、紧凑性。 “资源流”包括了输入的原料流、能源流等，也包括了运行过程中的物质流、能量流以及相应的信息流，还有输出的产品流、副产品流和各类排放流等。,钢铁流程的物质本质,节点包括了在流程网络中的各类功能不同的工序、装置，例如高炉、转炉等。而“连结器”则是指结点与结点的连结的手段、方式、装
17、备等，例如管道、辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水罐等。因此，也可以将“流程网络”看成是“结点”、“连结器”的优化配置及其组成的时-空边界。,钢铁流程的物质本质,：结点：连结器（道路、管道、辊道、吊车、铁水罐、钢水包等）：多维物质流（流程运行中的）,图1 制造流程的概念与要素示意图,钢铁流程的物质本质,流泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式的“资源”。对冶金流程而言，“流”是一类多因子（多维）“流”。 物理性质上的多维性：化学组分，物理相态，几何形状，表面性质，温度，时间等； 多因子“流”在生产工艺流程中表现为运行、调控过程中的“多维”性。“多维”性体现在流程运行过程中物质状态转变、物
18、质性质控制和与之相关的物质流管制过程的“物质流”-“能量流”-“信息流”复合在制造流程中的物质流中。 从调控角度上看，则体现为对制造流程运行调控过程中基本参数（物质量、温度、时间）-派生参数（产量、质量、成本等）的“多维”性上。,钢铁流程的物质本质,程序可以看成是各种形式的“序”和规则、策略、途径的集合。“序”包括了无序和有序，也包括了对某一因子的次第排列。有序的形式又包括了功能序、空间序、时间序以及时空序等。而“规则”则来自不同的要求、不同外部条件以及流程自身的整体功能，例如运行连续化、紧凑化等，就是规则的主要体现。“序”和“规则”的结合就反映出对制造流程中多维物质流的总体调控策略和具体运行
19、途径。,冶金流程工程学的研究对象和内容,具体研究内容工序功能的解析工序之间的衔接与调控流程整体优化过程中：不同因素的耦合优化信息化制造,冶金流程工程学的研究对象和内容,即：制造（生产）流程整体及单元工序和装置的功能-结构-效率优化问题，空间和平面布置、时间和时序安排与控制、排放（或循环）控制和优化等一系列知识的总和，目的是促进冶金生产流程中物质流、能量流、信息流效率的提高。,冶金流程工程学的研究对象和内容,研究目的从工程科学的视角来研究冶金流程的结构和行为，促进流程系统功能的协同优化（主要是高层次、大尺度系统的功能协同优化），进而实现冶金流程系统的多目标优化，使流程动态有序、连续/准连续、紧凑
20、和高效运行，并改善对环境的关系，做到与环境协调，甚至促进钢厂实现生态化转型，融入未来的循环经济社会。,冶金科学的层次,冶金科学发展的不同阶段和层次冶金物理化学（热力学，动力学）反应工程学（冶金传输现象）冶金系统工程冶金流程工程,冶金物理化学,作用与地位矿冶学科发展地理论支柱 矿冶学科中其他分支学科发展所依赖地理论基础现代发展体现计算机在冶金物化中地应用逐步形成了计算冶金物理化学分支，如用模式识别总结以往实践规律，预报未知；将价健理论与分子轨道理论结合 进行量子化学计算，预报冶金熔体性质，从而揭示材料结构与性能之间地关系,冶金物理化学,现代发展体现材料物理化学应用相图理论对材料进行成分和相组成地
21、设计；利用计算机结合专家系统模拟材料在不同环境下地结构变化规律等冶金热力学发展了多金属共生矿体系中多元多相平衡规律地热力学计算；利用各种模型预报熔体热力学参数等,反应工程学,作用与地位 装置及工序层次上的动力学研究 结合流体流动、传质、传热现象，研究冶金反应动力学 冶金过程模拟、优化、控制及反应器设计 基础理论和冶金工程之间地桥梁 七十年代以后得以迅速发展,反应工程学,现代发展体现冶金过程仿真在改造传统冶金工艺、发展冶金新工艺研究中得到广泛应用如：铁浴中的二次燃烧模拟；薄板坯连铸、H型钢连铸和水平连铸的过程模拟等,反应工程学,传统理论和模型研究取得新进展如：计算流体力学的发展，使借助计算机完成
22、二维流场计算发展到三维流场计算；两相流、多相流计算研究深入发展等冶金反应器的研究从低温反应器逐步向高温、间歇式操作反应器等具有实用性和共性的反应器方向发展，为部分冶金反应器设计提供了优化参数,冶金系统工程,作用与地位用系统工程的原理和方法研究冶金工程问题研究冶金工程综合功能、规划、组织、协调、匹配和决策将冶金过程系统分为联合企业系统、工厂系统、冶金工艺过程系统和单元过程系统利用多变量系统的统计分析、数学线性和非线性规划进行研究,冶金系统工程,现代发展体现冶金过程系统模型冶金过程系统的评价与优化冶金过程系统的运行管理逐步由单一冶金过程的系统与模化、单一生产系统的优化与决策，向寻求合理工艺制度、改
23、善过程技术指标、降低成本等方向发展逐步向具有实用性的多个相关连的过程系统分析和模化发展对生产决策起到辅助作用,冶金流程工程,背景系统工程原理和方法的发展冶金工序功能演进信息科学的发展,冶金科学的层次,以往研究：单元操作层次（微观）：原子/分子层次上的化学反应热力学、动力学、金属凝固等基础科学知识;单元装置和工序层次（介观）：工艺装置、运行工艺技术、自动化技术等技术科学知识;,冶金科学的层次,现实需求：流程层次（整体-宏观）：解决整个企业发展战略和生产运行的有效调控、市场竞争力和可持续发展问题。须着眼于整个制造（生产）流程的功能、结构与效率，以期将冶金工艺流程的整体性物理本质表述清楚，需要发展一
24、种研究流程整体性质、功能、结构、效率方面的工程科学理论。, 基础科学 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、层次和流程中工序、 装置之间关系衔接匹配、优化的问题。,不同过程及其时-空尺度范围,冶金流程工程学的发展历程,20世纪80年代中期，全连铸生产体制的出现对钢铁生产流程的连续化、紧凑化提出要求；20世纪80年代末，以计算机辅助调度系统为代表的流程调控手段投入使用20世纪90年代初，殷瑞钰院士提出钢铁制造流程多维物流管制和工序功能演进、集成和组合优化,冶金流程工程学的发展历程,20世纪90年代初，薄板坯连铸-连轧为代表的紧凑化短流程生产线成功工业化，使得钢铁制造流程整体优化的需求更加迫切90年代中期，在钢铁制造流程多维物流管制的基础上，形成冶金流程工程学的新概念本世纪初，冶金流程工程学概念逐渐成熟并形成初步的理论体系，标志性事件：冶金流程工程学出版,
