第4章-钢铁制造流程与工程科学

钢铁制造流程与工程科学,孙健,1,提纲,钢铁冶金过程理论与工程实践的发展过程冶金流程工程学的内涵和本质冶金工程科学基础性研究的视野和命题,2,3,图4-1高炉转炉连铸连轧制造流程示意图,冶金流程工程学的形成与发展,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,4,钢铁冶金过程理论与工程实践的发展过程,冶金流程工程学的形成与发展,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,5,冶金流程内装置以及工序层次的技术科学问题,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,6,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,7,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设计；利用计算机结合专家系统模拟材料在不同环境下的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,8,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,9,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,10,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,11,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,12,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,13,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,14,科学的层次性分析,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;,15,冶金流程工程学的内涵和本质,科学的层次分析,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，需要发展一种研究流程整体性质、功能、结构、效率方面的工程科学理论。,16,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。,17,冶金制造流程的物理本质,冶金制造流程是一个开放的、远离平衡的、不可逆的、由不同结构-功能的单元工序通过非线性耦合所构成的复杂系统。,18,具有多层次性、多尺度性、有序性和混沌性、连结-匹配、缓冲-协调。具有动态有序的结构并追求连续-紧凑方式运行。,冶金流程工程学的目标特征,以物质体系的化学和物理转变、物质和能量的消耗及其效率、过程物质流和能量流的输送-储存-缓冲，流程系统的输入和输出宏观大尺度过程为目标。,19,冶金流程工程学涉及工程科学、生产技术、工程与设计、决策与投资等方面的诸多领域。,冶金流程工程学的研究内容与方法,20,冶金流程工程学是宏观层次上的工程科学，主要研究冶金制造（生产）流程的物理本质、结构和整体行为。物理本质研究：包括运行状态和边界条件；研究流程内组元（例如工序、装置、车间等子系统）的涨落现象（包括不稳定性或不均匀性）、非平衡状态和组元之间各类相互作用的非线性关系；研究基于上述现象而引发的“自组织”过程和协同关系；进而研究基于“自组织”性、协同作用所激发、推动下流程系统的运行动力学甚至“涌现”出新的结构。,冶金流程工程学的研究内容与方法,21,结构和整体行为研究：包括不同层次、不同尺度的结构特征和行为。研究多因子流按一定的“程序”在流程网络中的动态-不稳定“流动”行为特征和规律。,冶金流程工程学的研究方法：通过流程系统内工序功能集合的解析-优化、工序之间相互作用关系的协调-优化和流程内工序集合的重构-优化等途径构筑起动态有序的运行结构。,冶金流程工程学与钢铁企业的关系,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。