2024年, 第34卷, 第12期 刊出日期:2024-12-15
  

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  • 徐安军
    中国冶金. 2024, 34(12): 1-1.
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  • 专家论坛
  • 张福明
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    钢铁制造流程是由多工序耦合集成的制造系统,其物理本质是铁素物质流在能量流的驱动和作用下,经过一系列复杂的物理及化学的转化或转变,制造出钢铁产品的过程。物质流、能量流和信息流在流程中相互耦合、协同运行,动态运行是流程最主要的特征。钢铁制造过程是远离平衡态、非线性耦合、开放的不可逆过程,也是物质和能量的耗散过程。钢铁冶金工程设计以钢铁厂设计为对象,以钢铁冶金基础科学、技术科学、工程科学的研究成果为理论基础,将钢铁冶金工程技术进行系统集成和设计优化,并实现工程化。现代钢铁冶金工程设计是在工程哲学和冶金流程工程学理论的指导下,通过对钢铁冶金工艺流程和技术装备的合理选择及系统集成,建构出流程合理、结构先进、功能优化、运行高效并有竞争力的工程实体。现代钢铁冶金工程设计的核心要旨是实现工程整体的系统化、结构化、功能化、高效化、绿色化、智能化等集成目标,追求钢铁制造流程的结构、功能、效率以及流程动态运行过程中的多目标优化。研究讨论了新一代钢铁厂工程概念设计、顶层设计和动态精准设计的内涵和方法,论述了首钢京唐厂工程设计创新和运行实践效果。
  • 王新东, 李晓刚, 巩鹏辉, 王映红, 张雪松
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    河钢唐钢新区是河钢集团以“绿色化、智能化、品牌化”为建设目标,借助区位调整契机,按照高质量发展和绿色低碳转型设计建设的新一代流程钢厂。在唐钢新区的工程设计中,摒弃了传统的立足于各工序/装置的静态能力估算和不同富余系数假定的钢厂静态设计,而是以冶金流程工程学为指导,将钢厂动态精准设计用于构建唐钢新区的信息物理系统,为物理空间的静态结构框架以及动态运行的路径、轨迹和时-空边界优化打下坚实基础。为贯彻动态精准设计原则,采用一系列数字技术,在信息空间构建了工厂数据库平台以及一体化计划排程、全流程实时动态调度、全流程工艺数字化、设备智能运维和能源精细化管控系统。通过信息空间与物理空间中的人、机、料、法、环主要要素的相互映射、实时交互和高效协同,使信息物理系统内的资源配置和运行可以按需响应、快速迭代、动态优化,以解决生产制造和能源耗散过程中的复杂性和不确定性问题,实现唐钢新区物质流在长时间范围内动态-稳定-均衡地匹配、全流程整体运行时间最小化、能源耗散减少而使流程能耗最小化。唐钢新区为冶金行业的产业升级和新质生产力的发展贡献了一座绿色智能钢厂。
  • 杨春政, 袁天祥, 刘延强, 赵长亮, 缪成亮, 李新, 李继新
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    首钢京唐公司遵循冶金流程工程学理论,通过对生产过程中各单元生产工序冶金功能的解析与集成,构建了具有动态有序、连续紧凑和高效稳定生产的“新一代”可循环钢铁制造流程;采用先进的“高炉-转炉”(铁-钢)和“连铸-热轧”(钢-轧)界面技术及铁水预处理、炉机匹配、钢水精炼优化匹配、连铸高效化等共性技术,构建了高效率、低成本、稳定生产高品质钢的洁净钢平台。铁-钢界面通过持续完善调度模型,铁包周转次数从日均3.8次逐步提高至5.8次以上,铁水温降从108.3 ℃逐步降至85.7 ℃,铁水装准率(-0.5~0.5 t)稳定为98.5%以上;钢-轧界面基于产销一体化平台,通过辊期优化、降低板坯封锁率及板坯在线淬火技术,热连轧产线板坯热装率达到64.84%,中厚板产线板坯热装率达到62.9%;在专线化生产方面,通过合理优化工艺布置和差异化设备选型,形成了各具特色的专门化生产线。以汽车板、镀锡板品种为代表的产线,通过高效化生产、全流程低氧控制技术,KR、转炉、RH真空处理时间分别控制在32.2、35、20 min以内,包晶钢拉速提高至1.7 m/min,马口铁拉速达到2.0 m/min,基本实现炉机匹配,中间包钢水中总氧质量分数由0.002 8%降低至0.001 5%。MCCR铸轧一体化产线开发的超洁净钢水冶炼技术,实现全量钢水中硫质量分数不高于0.001 2%的超低硫控制;低碳品种实现低硅(硅质量分数不超过0.03%)、超低硫(硫质量分数不超过0.001 5%)、低碳(碳质量分数不超过0.01%)系列钢种及总氧质量分数不超过0.001%的超洁净钢高效稳定生产,酸洗后带钢表面质量达到冷轧FB级表面质量水平。以9Ni钢为代表的中厚板产线,开发了超高磷分配比极低磷冶炼渣系和高效深脱硫、氮、氧、氢及夹杂物控制技术,5大杂质元素(P+S+N+H+O)质量分数之和最低为0.004 01%,采用板坯大压下技术,实现300、400 mm厚板坯中心疏松不超过0.5级。首钢京唐公司充分发挥新一代流程的优势,以汽车板、镀锡板等战略产品为引领,多项产品技术实现首发,实现了“打造首屈一指的钢”的品牌理念。
  • 叶恒棣, 李谦, 彭程, 龙红明, 刘文斌, 王军
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    钢铁流程碳污减排及资源循环利用对实现钢铁工业绿色低碳发展意义重大。基于冶金流程工程学的基本观点,分析钢铁冶金流程物质流、能量流的转换、迁移、耗散过程,揭示钢铁流程碳污排放物理本质与物质流、能量流耗散效应的逻辑关系,提出全流程物能系统优化及自洽循环利用的理论观点,以及构建高效低耗钢铁产品制造主工艺装备系统与促使主流程副产物高效物能自洽循环利用相结合的绿色冶金体系思路,并阐述了上述冶金流程工程学观点在工程实践中的应用案例。
  • 郦秀萍, 杜学强, 孙彦广, 刘骁
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    随着节能工作的开展,中国钢铁工业在传统的技术体系下节能难度越来越大,节能空间越来越小,在高质量发展叠加能耗双控向碳排放双控约束的新时期,钢铁工业进入能源高效转化、能量流智能调控和集成匹配优化的新阶段。能量流网络化运行与智能化调控是进一步挖掘节能潜力的重要手段。能量流网络建模是能源系统智能调控和集成匹配优化的基础。Petri网作为描述网系统的形式化模型,是描述有向网系统单元之间关系及其资源变化的建模工具。为描述“混杂系统”,将库所和变迁区分为连续的和离散的2种类型,以表征连续变量和离散事件,构成混杂Petri网。基于冶金流程工程学,分析钢铁制造流程及其能量流网络系统的本构性特征,从系统的角度解析钢铁制造流程能量流网络作为“有向网”所具有的系统结构及其动态运行特征。通过形式化抽象,基于混杂Petri网建模方法,构建了钢铁制造流程能量流网络模型。该模型可对能量流网系统内要素之间的关系进行定性和定量描述,从而形象、逼真地反映系统结构和动态行为特性。以典型钢厂为例建立了能源转换环节的Petri网模型,并基于一个样本日的生产实绩,以1 h时间步长用Matlab软件进行了仿真。仿真结果表明,模型与实际系统符合性较好。该方法可为钢铁制造流程能量流网络系统能源利用状况评测和能源调度动态优化提供技术支撑。
  • 冶金流程工程学实践
  • 郑忠, 杨治朋, 王永周, 郭亮, 沙远洋, 王飞, 杨永杰
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    钢铁制造的铁钢界面采用“一包到底”模式有利于提高铁水包的运行周转效率,降低运输温降和碳排放。为了更有效发挥该技术优势,基于冶金流程工程学理论,运用了高炉-转炉长流程铁钢界面运行优化的系统动力学方法,分析铁水包在高炉工序“推力”与转炉工序“拉力”作用下的区域铁水包运行的动态变化特征,以及界面区间内合理的铁水包数量与进出速率变化的关系,关注铁水包周转数量与运输时间以及铁水温降的影响,建立基于Flexsim软件的仿真模型进行影响因素的优化分析,得到铁水包的优化配置方案。研究方法为促进铁素物质流的供需平衡、提高界面运行效率提供了优化手段和依据。
  • 韩伟刚, 孙右梅, 李帅兵, 董相娟, 安钢, 郭宏烈
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    为研究尾罐处理模式对“一罐到底”技术运行的影响,阐述了尾罐产生的原因,定义了尾罐率、转场率、转场时间等相关工艺指标。在此基础上,以首钢京唐炼铁-炼钢界面为例,对比了尾罐和非尾罐的铁水预处理时间、脱硫剂消耗、补热剂消耗、转炉冶炼周期等“一罐到底”技术运行指标。介绍了铁钢处理模式优化方案,统计了方案实施前后尾罐、非尾罐、铁水罐整体的运行时间指标以及后续脱硫工序进站铁水温度。结果表明,尾罐处理模式优化方案实施后,尾罐转场率提升了17.82个百分点,转场时间中位值减少了26 min,受铁总时间中位值缩短了 30 min,周转周期中位值降低了12 min,极大地缩短了尾罐运行时间,有利于减少尾罐运输过程中铁水温降。尾罐处理模式优化方案实施前后,脱硫站进站非尾罐铁水温度中位值分别为1 414 ℃和1 416 ℃,基本未受影响;尾罐铁水温度中位值分别为1 375 ℃和1 380 ℃,取得明显提高。
  • 贺东风, 李晓龙, 郭旺, 郭园征, 冯凯, 杨日辉, 杜程亮, 张立东
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    炼钢厂钢水温度控制对生产节奏、铸坯质量和能源成本等具有重要影响,而目前主流的钢水温度调控研究主要集中在单体工序内,缺少流程上衔接匹配的考虑。为了从流程上实现炼钢厂钢水温度的精准控制,在对钢水温度影响因素和钢包热状态分析研究的基础上,分别建立基于案例推理方法的钢水温度预定模型和基于Kmeans-BPNN和钢包热状态补正的钢水温度预测模型,对转炉至连铸过程中各关键工序节点进行钢水温度预定和预测。在预定和预测相结合的基础上,建立炼钢厂钢水温度在线调控系统,并将该系统与炼钢厂动态调度系统相集成,在生产过程中提供精确的钢水温度推荐和感知。在唐钢新区炼钢厂应用结果显示,系统优化了目标钢水温度,提高了钢水温度预测的命中率,优化了炼钢厂的生产调度,减少了钢水温度波动,转炉终点至RH精炼开始过程的钢水温降由44.8 ℃降低至37.4 ℃,RH精炼结束至连铸开浇过程的钢水温降由23.2 ℃降低至21.7 ℃,实现了钢水温度的精准控制,同时为优化生产过程调度提供了温度层面的决策支撑。
  • 冯凯, 徐安军, 贺东风
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    由于冶金流程动态运行具有复杂性、协同性、整体性等特征,使得以工序或设备为对象的评价方法难以分析流程总体运行状态。殷瑞钰院士从开放动态系统整体运行的观点出发,以“时间”作为分析的基本参数,提出表征流程动态运行的关键性指标——连续化程度。为了在理论层面研究基于冶金流程实际生产数据的连续化程度统计计算和提升方法,提出连续化程度的图形化表征方法,并针对行业内基于时间序平均和批次平均2种连续化程度统计方法进行数学解析和推导。研究结果表明,当各批次产品物质流的总运行时间恒等时,2种计算方法等价;当总运行时间不恒等时,基于时间序平均的连续化程度统计方法更加符合连续化程度的统计学结果,连续化程度与主要影响因素的关系更加确定、且能转化为线性关系,更加适用于对实际生产线连续化程度的分析。各批次产品物质流总运行时间的差异性,即实际生产中的产品规格或工艺路径的多样性,是流程连续化程度的重要影响因素。物质流总运行时间的差异性越小,流程连续化程度越高。
  • 倪冰, 林晓萍, 上官方钦, 郦秀萍, 周继程, 李涛, 金佳慧
    中国冶金. 2024, 34(12): 91-101.
    https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240434
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    在钢铁制造流程中,氢冶金电炉流程具有实现近零碳排放钢铁生产的潜力,是钢铁行业实现绿色可持续发展的重要抓手。由于氢冶金提供的产物直接还原铁不是终端产品,需要通过电炉等熔炼设备才能得到理想的产品。电炉工序技术已经成熟,难点在于氢冶金工艺的技术突破,氢冶金工艺被世界广泛认为是前沿颠覆性技术。国内的氢冶金示范项目多处于工业化试验阶段,离实现真正的产业化还存在一定的差距。氢冶金工艺的技术成熟度评价有助于科学了解其发展进程,评估其发展现状,预期其未来发展趋势。基于技术成熟度标准和工艺分析,研究了适用于氢冶金工艺的技术成熟度评价标准和细则,对4种氢冶金工艺进行了技术成熟度评价与展望。结果表明,目前氢基竖炉直接还原工艺综合评价为7级,氢基流化床直接还原工艺为6级,富氢高炉炼铁工艺为7级,氢基熔融还原炼铁工艺为6级。氢冶金工艺整体上还处于不断探索和开发阶段,尚未有产品成熟商业化的厂家。最后,回顾了主要氢冶金工艺路线的历史发展过程,展望了未来氢冶金发展趋势与前景。在4种工艺中氢基竖炉直接还原工艺有望最早实现商业化,在冶金流程中实现以氢代碳,助力钢铁生产实现近零碳排放。
  • 卢春苗, 李冰, 肖涛, 李亚民, 孙彦广, 梁青艳, 潘俊
    中国冶金. 2024, 34(12): 102-109.
    https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240441
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    钢铁制造流程的复杂性主要体现在其工艺复杂多变、多工序的非线形耦合、工序间多约束,难以对其进行数学求解。炼钢-连铸生产过程是钢铁制造全流程的核心环节,尽管行业在工序自动化和界面技术方面取得了一定的进展,但由于缺乏全流程视角的跨工序贯通协同,仍然存在诸多挑战。针对炼铁-炼钢界面、连铸-热轧界面、天车调度、钢包配包、温度控制等关键环节,设计了1种基于界面协同的炼钢-连铸动态调度系统。通过炼钢-炼钢之间的协同作业,保证炼钢厂铁水供应充足;炼钢-连铸调度系统与天车调度、钢包配包、温度预定/预测协同作业,保证了炼钢厂内部动态有序,同时为铸轧界面提供了精确的连铸生产时间和切割计划,可为铸轧区段生产节奏的稳定提供支持。通过协同优化实现了生产调度的智能化管理。
  • 王宇航, 郭旺, 杜程亮, 徐安军, 卢春苗, 张乾, 张立东
    中国冶金. 2024, 34(12): 110-120.
    https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240426
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    在炼钢-连铸生产过程中会产生诸多扰动,导致很多时候调度不能按照原计划进行,需要采取实时的调度策略对炼钢-连铸生产过程进行动态调度。为了保证炼钢-连铸生产过程中的稳定性,提出了一种基于缓冲时间“柔性”可调方法与基于Flexsim作业倒推方法相结合的动态调整方法。通过加入天车规则、设备选择相关规则、钢包数量限制等约束,生成重调度作业计划。通过优化后的动态调度方案很好地消除了炼钢-连铸过程中扰动的影响。另外,将本研究方案与人工调度以设备利用率、连续化程度、生产周期等评价指标相对比,平均生产周期降低了7.9 min,连续化程度提高了8.8%。结果表明,本方法在基于规则和Flexsim的基础上,不但能动态生成具体的调度方案,并且过程的相关指标得到了显著改善,为今后Flexsim指导现场生产提供了理论依据。
  • 于不可, 门经纬, 亓睿, 张琦钰, 张宇焱, 吴促敏, 李玉柱, 杨松陶
    中国冶金. 2024, 34(12): 121-128.
    https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240491
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    入炉焦比对高炉的产量与效益有着直接的影响,但由于高炉冶炼过程受多重共线性现象影响,其预测精度普遍不高。为此,首先对高炉信息流进行预处理,将高炉数据分成2类分别进行异常值分析与处理;其次通过皮尔逊相关性分析、斯皮尔曼相关性分析、MIC最大互信息系数、逐步回归分析手段分析出与高炉焦比相关性强的参数变量作为预测模型的输入参数变量,对32个参数变量进行筛选,最终确定16个特征变量,并对其按相关性进行排序综合分析;最后建立基于误差反向传播网络(BP网络)高炉焦比预测模型,在此基础上建立粒子群优化的BP神经网络(PSO-BP)高炉焦比预测模型,并对模型进行了评价。结果表明,粒子群优化的BP神经网络预测模型在预测高炉焦比方面表现出更佳的性能,具有更好的准确度和精度,取得了较好的预测效果。
  • 李铁, 王新东, 刘亚峰, 卢建光, 付康, 李传民
    中国冶金. 2024, 34(12): 129-137.
    https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20240519
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    钢铁工业是国民经济的重要基础产业,传统工程设计理论在推动钢铁工业高质量发展方面面临着重要挑战。冶金流程工程学是引导新时期钢铁工业实现高质量发展的重要理论依据。介绍了钢铁联合企业在设计过程中运用冶金流程工程学理论,通过深入研究制造流程物理系统,优化物理系统的参数,采用绿色“界面技术”,确定物理系统的稳态优化目标所构建静态系统,为实现物质流、能量流和信息流的动态-有序、协同-连续、稳定-高效运行提供基础。运用冶金流程工程学设计理论,打造了邯钢新区项目“紧凑型”钢铁制造流程,确定了极致设计对生产运行、效率、节能、减污降碳等方面的影响。邯钢新区吨钢占地0.42 m2,吨钢综合能耗(以标准煤计)低于546 kg,吨钢新水耗量2.5 t,吨钢CO2排放小于1.57 t,成为钢铁行业节能降碳的典范。基于冶金流程工程学理论的钢铁联合企业极致设计为企业打造“高效化、绿色化、智能化 ”的世界一流工厂奠定了基础。
  • 冶金科技英才
  • 中国冶金. 2024, 34(12): 138-138.
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  • 冶金科学技术奖获奖
  • 中国冶金. 2024, 34(12): 139-139.
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