关于钢铁制造流程优化与产品优化问题的讨论

钢铁仍然是国民经济的基础材料，甚至可以说是“必选材料”。从制造工艺上看，钢铁工业属于流程制造业。对于钢铁工业而言，生产流程对生产效率、产品成本、产品质量、产品品种、资源消耗、投资效益等技术经济目标群具有综影响力，而且也直接影响过程排放、环境生态和资源／能源可供性等可持续发展因素。面临20世纪经济全球化的趋势，全球钢铁工业的根本性命题是市场竞争力和可持续发展。就要求全球钢铁工业都要从总体战略上来观察问题、解决问题，而不是把上述重大命题简单地割裂成为产量、规模、质量、品种等孤立问题，“头痛医头、脚痛医脚”地解决，甚至引起顾此失彼的矛盾；时至今日，应该从根本上考虑问题，追求从战略整体上来解决时代性的命题。

所谓过程可视为事物在给定的外界条件下从始态到终态的变化。这种始态到终态的变化包括了不同层次、不同尺度、不同结构上的变化。过程与流程的区别在于：过程是不同层次、不同尺度、不同结构条件下，事物在给定外界条件下从始态到终态变化的泛称；而制造流程（也可称为“生产流程”，或简称为“流程”）则往往特指在工业生产条件下由不同工序和不同装备所组成的制造过程的整体集成系统钢铁生产流程是一种工厂层级上的制造过程，这类过程的时!空尺度比单元操作、单元工序层次上过程的时空尺度要大得多。

钢铁生产流程具有多工序串联、集成运行，输入／输出的资源／能源密集，生产过程伴随大量的物质／能量排放和资金密集等特点。可见，生产流程的整体优化对于钢铁企业的生存、发展诸多方面具有极强的关联度和广泛的渗透性。可以说制造（生产）流程的结构优化是钢铁企业结构优化、效率提高、社会经济功能拓展的有效切入点。从科学技术角度上看，冶金!材料学科是一门由基础科学———解决原子!分子尺度上的问题；发展到技术科学———解决工序、装置、场域尺度上的问题（表"）。看来，这些知识对于钢铁生产由技艺变为科学具有划时代的意义，但对于新世纪里钢厂的生存和发展而言还不够，还要在此基础上，进一步整合集成研究钢铁联合企业的生产流程尺度上的知识，解决市场竞争力和可持续发展问题，这就是工程科学方面的学问———冶金流程工程学。

冶金流程工程学作为工程科学层次上的知识，它追求的目标是通过生产流程的整体优化来解决整个工厂的结构优化、功能优化和效率优化。进而在更大尺度上解决钢厂的结构与模式、投资战略、市场竞争力和经济效益；解决钢厂面临的环境问题和生态协调性问题。什么是流程？流程运行过程有几个要素：即“流”，“流程网络”，“程序”。具体在钢铁冶金制造（生产）流程中这些要素的涵义是：

（1）“流”：是泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式“资源”（或“事件”）；对冶金流程而言， “流”是一类多因子（多维） “流”。“流”的多因子性包括了化学组分因子、物理相态因子、几何形状因子、表面性状因子、温度（能量）因子和时间、时序因子。这种多因子“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”复合成制造（生产）流程中的物质流中。从调控角度上看，则体现为对制造（生产）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。

（2）“流程网络”：“流程网络”是为了适应将开放系统中的“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。这个结构要求有静态的合理性特别是体现空间结构（例如结点数、连结方式、总平面布置等），更重要的是要求在动态运行过程中体现出动态有序性、可连续性和紧凑性。

此处所谓的“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。所谓的“结点”则是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手段、方式、装备等，例如管道、辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水包等。因此，也可以将“流程网络”看成是由“结点”、“连结器”来优化配置“资源流”运行的时"空边界。因此钢铁生产流程的物理本质是一种多因子（多维）“流”，在一个由不同性质的工序（结点）及工序（结点）之间连结器（例如铁路、辊道、管道、钢水包、铁水罐、吊车等）组成的复杂网络结构（流程网络框架）中，按一定的“程序”，动态有序地通过，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。钢铁生产流程追求的是一种动态有序的、连续的、紧凑的运行方式。也就是物质流在能量流的驱动下、在信息流的控制下，追求过程耗散最小化，即生产流程过程物质流耗散最小化、能量流耗散最小化，过程时间最小化和过程所占空间最小化。进而促进各项技术经济指标多目标优化和使钢厂顺利地融入循环经济社会。钢铁工业的技术发展进程，实际是工序装置功能优化的进化过程；工序装置之间相互关系的演化过程以及由此引发的流程内工序、装置集合的重新构筑过程。这是钢铁企业在日常生产运行、技术改造、投资建设过程中应该认真研究、全面思考的工程科学层面上的问题。也是在新世纪里钢铁工业应该认真思考的实际问题，也是在新世纪里钢铁工业应该认真思考的实际问题。

中国钢铁工业十几年来取得了持续高速增长的突出成绩。当然，国民经济持续快速增长的拉动是根本原因。从中国钢铁工业内部看，钢铁生产持续高速增长的主要原因之一是通过几项关键共性技术的突破、优化和集成，逐步形成了比较优化的制造工艺流程，并带动了产品、工艺、装备和管理结构优化，使企业竞争能力大大提高。

2.1 连铸生产的发展和完善，是我国钢铁生产流程动态有序优化的突破点，也是结构优化的重点。

流程优化从技术、投资上看，不可能是所有各工序、装置不分先后平行推进的，因为在一个时期内财力、物力、人力是有限的。必然要从流程中带有“技术瓶颈”性的工序率先突破，其它工序协调跟进，才能在新的水平上建立起新的流程结构。

20世纪80年代以来的实践表明，连铸工序的发展和完善确是现代钢铁制造流程优化过程中最重要的突破点。首先，连铸的发展加快了淘汰高能耗、高物耗、慢节奏、低效率、低质量的平炉"模铸"初轧／开坯等落后工艺装备的步伐，使整个钢铁生产流程变得高效、低耗、优质，并向前带动了流程上游高炉大型化，向后促进了流程下游连轧生产的发展，成为我国钢铁工业高速增长的主要技术动力。第二，连铸生产的发展和完善，使转炉、超高功率电炉的生产效率成倍提高，并迅速推进了相应的二次冶金技术、铁水预处理技术和经济的洁净钢生产技术）、凝固技术、优质耐材技术、保护渣技术等的开发和应用，也促进了炼钢炉、精炼炉终点控制技术和连铸坯热送、热装等技术的开发和研究。第三，一批优质钢种通过连铸工艺（如’(钢、冷轧硅钢、高档齿轮钢、石油管线钢、不锈钢等）稳定生产，成为保证质量、提高成材率、降低消耗与成本和提高生产效率的最重要手段。第四，连铸向高效、近终形方向的优化发展，形成了薄板坯连铸"连轧和薄带连铸等紧凑型流程。这种新型流程的生产连续化程度高，大大降低了产品成本、提高了产品质量、生产效率与劳动生产率。从以上分析可见，连铸技术的发展对流程优化的带动作用是十分重要的，也关系到钢铁产品的优化和专业化发展。十几年来，我国钢铁工业因连铸技术的迅速发展，保持了持续高速增长。

2.2 若干关键—共性技术在流程优化中的互动作用

连铸是20世纪90年代以来中国钢铁企业流程优化进程中第(个突破点，其重要性前面已作了分析。但连铸生产的发展必然要求其他工序的优化并互动地发挥作用，从而形成了一系列关键共性技术。结合中国钢厂的特点，这些共性技术主要有高炉喷吹煤粉技术、高炉高效长寿技术、棒线材连轧技术、转炉溅渣护炉技术和流程结构调整的系统节能技术。连铸技术的发展使钢铁生产流程朝连续、高效、紧凑的方向优化，这就要求生产流程中各工序按此方向协同运行。全连铸生产促进了转炉利用系数成倍提高，特别是中、小转炉的利用系数。

2.3 炼钢、轧钢的紧密结合是钢铁生产流程优化、生产效率和产品质量稳定提高的重要保证。

现代钢铁生产流程优化的目标是低成本、高效率、优质、低耗、连续、紧凑和环境友好。炼钢、轧钢是实现这一优化目标的两个重要的子系统。在薄板坯连铸连轧或连铸坯直接热装或直接轧制工艺流程中，炼钢!热轧两个车间已经非常紧密地结合在一起了，在物质流、温度、质量、性能等方面互为要求，互相影响，共同决定生产效率、产品成本、产品质量。因此，在钢厂生产流程优化中要特别关注炼钢、轧钢两个车间的高温热连接和配合协调。

我国不少钢厂在炉!机匹配、机!机匹配等方面还有很多问题有待解决。总的看来，应该区分板材生产流程、长材生产流程、无缝管生产流程来配置合理的工序和装备；然后，努力做好上、下游工序容量性功能和强度性功能的对应匹配并选择合理的“缓冲”、“协调”方法，这就是所谓“界面技术”的优化与选择。为了尽可能地实现上、下游工序间的物质流，应确立如下原则：

（1）使间歇运行、准连续运行的各类工序（装置）融合到连续运行工序（装置）的运行节奏和行程中去。例如，实现连铸多炉连浇运行，就是使间歇运行的转炉（电炉）、二次冶金装置融合到连铸的连续运行节奏和行程中。

（2）使间歇运行、准连续和连续运行的各类工序（装置）集成为一个准连续运行系统。例如在设计半无头轧制节奏时，就是将加热炉间歇出坯通过铸坯或中间轧件焊接等工艺手段，使超长尺轧件在热连轧机中实现较长时间的准连续运行。

（3）在整体生产流程中或是区段（车间、分厂）流程中，确立间歇运行的工序（装置）服从准连续和连续运行的工序（装置）的原则。例如，焦炉出焦是间歇的，高炉装料是间歇运行的，而它们的运行都要服从高炉连续操作的运行本质，而不应相反。

（4）以整体生产流程集成优化原则把握区段流程集成，推动区段流程集成融合到整体生产流程中，进一步提高整体生产流程的准连续和连续程度。例如，电炉、薄板坯连铸、连轧流程、电炉、薄带连铸%热轧流程等。流程优化不仅影响钢铁生产的效率和消耗，而且直接关系到产品的质量和钢厂的环境%生态等问题，这是新世纪思考问题的重要基础，应该重视对其进行综合分析、研究，而不应一成不变地局限在某一化学反应，某一工序、装置，某一产品的性能孤立地思考问题。