21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展與展望

21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展與展望

一般來說，過程工業(yè)實(shí)際上是所有工業(yè)的“初始過程”。流程制造業(yè)的發(fā)展與不同國家、不同地區(qū)的資源、能源有著密切關(guān)系。當(dāng)然,也與人口數(shù)量、人口狀況有著密切的關(guān)系。中國人口眾多,制造業(yè)門類齊全,流程制造業(yè)是國家工業(yè)化、現(xiàn)代化的必備基礎(chǔ)。因此,仍然需要關(guān)注流程制造業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新。1為什么要關(guān)注“過程”研究1.1多目標(biāo)群優(yōu)化的挑戰(zhàn)。在生(1)21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)已不僅是產(chǎn)品的質(zhì)量、性能問題,也不僅是產(chǎn)量和生產(chǎn)效率問題,而是一種最新形式的綜合性挑戰(zhàn);它包括了經(jīng)營成本、產(chǎn)品質(zhì)量與性能,生產(chǎn)效率與合理規(guī)模、能耗與過程排放、過程靈活控制、環(huán)境與生態(tài)等多目標(biāo)群優(yōu)化的挑戰(zhàn)。要認(rèn)識并解決這類多目標(biāo)優(yōu)化的挑戰(zhàn),不能從某一產(chǎn)品的材料學(xué)問題來解決,也不能靠某一工藝裝置的工藝學(xué)問題來解決;主要應(yīng)從生產(chǎn)流程整體優(yōu)化來解決。(2)流程制造業(yè)進(jìn)入21世紀(jì)后,在信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的影響下,在制造流程的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行和經(jīng)營管理上面臨著如何充分利用以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)的挑戰(zhàn),鋼鐵制造流程的整體信息化應(yīng)該是在制造流程重組優(yōu)化基礎(chǔ)上的信息化,應(yīng)該是物質(zhì)流、能量流、信息流之間互動(dòng)的綜合信息化。鋼廠也面臨環(huán)境-生態(tài)問題的挑戰(zhàn)以及如何積極主動(dòng)地實(shí)現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型,進(jìn)而融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中去……。這些命題不能只從某一產(chǎn)品的研究來解決,也不能只從某一裝置的工藝學(xué)問來解決,而只能從流程整體的過程工程的層面上來解決。1.2流程與制造流程對流程制造業(yè)而言,為了制造某類、某一產(chǎn)品,必須通過由功能不同的工序串聯(lián)起來構(gòu)成的制造流程,并通過流程的協(xié)同運(yùn)行,才能生產(chǎn)出來。從這個(gè)角度上看,是產(chǎn)品引起了制造流程的構(gòu)成;然而,流程一經(jīng)確定,其功能就不再只是為了生產(chǎn)某類、某一產(chǎn)品。因?yàn)榱鞒痰臎Q定還取決于資源、能源、運(yùn)輸、市場容量、環(huán)境以及其它社會(huì)條件;同時(shí)流程運(yùn)行的結(jié)果,也不只是產(chǎn)品,至少還有副產(chǎn)品和過程排放物等。當(dāng)然,流程的確定還受到工藝技術(shù)、裝備性能、效率等因素的強(qiáng)烈影響?？偟目磥?產(chǎn)品將在很大程度上決定制造流程,但反過來,制造流程一經(jīng)確定,就蘊(yùn)涵著不同層次多種因素的“耦合-集成性”和發(fā)揮多種功能的“平臺(tái)性”。制造流程將涉及鋼廠的結(jié)構(gòu)與功能,并將引導(dǎo)鋼廠發(fā)展模式的取向。新世紀(jì)內(nèi)鋼鐵工業(yè)(流程制造業(yè))的進(jìn)一步發(fā)展有賴于這類大尺度-多層次問題的解決。其中既包括了工程理論問題、工程設(shè)計(jì)問題,又包括了生產(chǎn)技術(shù)問題、運(yùn)行調(diào)控問題和環(huán)境-生態(tài)問題等等……。制造流程對于相應(yīng)的流程制造業(yè)而言,具有根本重要性,隨著時(shí)代的進(jìn)步,文明的發(fā)展,應(yīng)該用新的理念、新的思維來研究新一代的制造流程。1.3流程研究包括工程問題和科學(xué)研究2新型鋼鐵工程的功能和目標(biāo)2.1生產(chǎn)企業(yè)制造流程特點(diǎn)長期以來,鋼鐵制造流程的功能被天經(jīng)地義地確定為制造鋼鐵產(chǎn)品,其中包括了從形狀上分的長材(棒材、線材、型材、絲材等)、平材(薄板、中板、厚板等)和管材(無縫管、焊管),當(dāng)然其中也包括了相應(yīng)的各種鋼類、鋼號。為了大批量、經(jīng)濟(jì)地制造這些鋼鐵產(chǎn)品,鋼廠的制造流程不斷發(fā)生演變與革新,特別是不少單元工序在工藝上、裝備上革命性變革的推動(dòng)下(例如氧氣轉(zhuǎn)爐、鋼水精煉、鐵水預(yù)處理、大型電爐、連續(xù)鑄錠、連續(xù)軋制等先進(jìn)工藝、裝備的發(fā)展和貝氏麥轉(zhuǎn)爐、托馬斯轉(zhuǎn)爐、平爐、小電爐、混鐵爐、模鑄、初軋機(jī)、開坯機(jī)的相繼被淘汰),使得鋼廠制造流程發(fā)生了巨大的變化(見圖2)。由于鋼廠制造流程的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)特性,使鋼廠具有以下特點(diǎn)。(1)資源密集、能耗密集:在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)內(nèi),每噸鋼將消耗0.6～0.8t標(biāo)煤、1.50～1.55t鐵礦石、80～150kg廢鋼、3～8t新水,由此形成了大量的物質(zhì)、能量的輸入與輸出;(2)生產(chǎn)規(guī)模大、物流吞吐大:現(xiàn)代化鋼廠的基本級別已經(jīng)大致地分為年產(chǎn)鋼800～1000萬t,600～800萬t,300～400萬t及100～200萬t等級別;由此伴隨著巨大的資金流;(3)制造流程工序多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜:由此可形成若干產(chǎn)業(yè)鏈接關(guān)系,其中必然涉及時(shí)-空因素;(4)制造流程中伴隨著大量物質(zhì)和能量排放,并形成了復(fù)雜的環(huán)境界面,其中蘊(yùn)含著諸多“3R”的可能性。鋼廠的上述特點(diǎn),特別是物質(zhì)、能量、資金、時(shí)間、空間等五因素高度集中,啟發(fā)了對鋼廠功能拓展的思考,結(jié)合鋼鐵工業(yè)環(huán)境保護(hù)、清潔生產(chǎn)、綠色制造的研究(圖3),我們認(rèn)識到在未來的發(fā)展過程中,鋼廠由于其制造流程的特點(diǎn),應(yīng)該具有三類功能——鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能和排放物、廢棄物處理、再資源化功能(圖4),并通過功能的拓展融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中去(圖5)。2.2大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)研究新一代鋼鐵制造流程的目標(biāo)是通過新一代流程的整體集成優(yōu)化來解決流程系統(tǒng)的功能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和效率優(yōu)化。進(jìn)而在更大尺度上解決不同類型鋼鐵企業(yè)的結(jié)構(gòu)-模式、市場競爭力,解決企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境-生態(tài)效益和社會(huì)效益。新一代鋼鐵制造流程的目標(biāo)如下:我國新一代鋼鐵制造流程研究的重點(diǎn)目標(biāo),是要在21世紀(jì)的時(shí)代背景下,自主集成生產(chǎn)薄板(及其深加工產(chǎn)品)的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的工藝流程和裝備,以支持新一代鋼鐵基地(例如曹妃甸鋼廠等)的建設(shè)和現(xiàn)有鋼廠的改造。在流程整體優(yōu)化的基礎(chǔ)上使我國鋼鐵工業(yè)再節(jié)能15%～20%,使鋼的使用效率提高5%～15%,解決若干高附加值產(chǎn)品的自主開發(fā)和創(chuàng)新問題,新一代鋼鐵制造流程不僅具有良好的鋼鐵產(chǎn)品制造功能,而且還具有能源轉(zhuǎn)換功能和廢棄物處理和再資源化功能,推動(dòng)鋼廠融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程中去。作為未來新建的鋼鐵基地(以800～900萬噸/年全薄板型鋼廠為例)將實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo):·占地面積:8km2左右;·高效率、低成本、大批量地生產(chǎn)高附加值薄板及其深加工產(chǎn)品;·能耗:620～630kgce/t;·新水消耗<3.5t/t鋼;·只買煤、基本不買電、不用燃料油;·鋼-電-水泥聯(lián)合生產(chǎn);·大量消納處理廢塑料、廢鋼等廢棄物;·勞動(dòng)生產(chǎn)率:1200～1600t/人·年(如果不計(jì)協(xié)力人員,則生產(chǎn)在線人員的勞動(dòng)生產(chǎn)率將達(dá)到～3000t/人·年左右)。3流程再造的技術(shù)由于鋼鐵制造流程是由功能各異的不同工序串聯(lián)起來、集成運(yùn)行的。所以新一代流程不可能也不必要對每一工序的工藝、裝置全部進(jìn)行替代性的更新,來重新構(gòu)筑完全不同于現(xiàn)有制造流程的新流程。所謂新一代鋼鐵制造流程應(yīng)是建立在若干現(xiàn)有先進(jìn)工藝、裝備的基礎(chǔ)上,與新開發(fā)的工藝、裝備以及新開發(fā)的“界面技術(shù)”創(chuàng)新性集成起來,而重新構(gòu)筑的工藝制造流程。其重點(diǎn)是:(1)共性平臺(tái)技術(shù):例如經(jīng)濟(jì)、高效的潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)平臺(tái)等;(2)動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的“界面技術(shù)”:即工序之間、車間之間銜接匹配、協(xié)同、緩沖技術(shù)等,例如高爐-轉(zhuǎn)爐之間的“界面技術(shù)”,煉鋼-連鑄之間的“界面技術(shù)”,連鑄-熱軋之間的“界面技術(shù)”,熱軋-冷軋之間的“界面技術(shù)”等;(3)流程工程集成技術(shù):例如流程網(wǎng)絡(luò)(平面圖等)的合理配置技術(shù);若干關(guān)鍵裝備的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造技術(shù);物質(zhì)流-能量流-信息流動(dòng)態(tài)-有序的信息調(diào)控技術(shù)等。(4)系統(tǒng)、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù):例如CDQ、TRT、CCPP等發(fā)電技術(shù),能源梯級利用技術(shù),甚至包括萬噸級制氫技術(shù)等。(5)廢棄物資源化利用技術(shù):包括廢鋼、廢塑料、廢輪胎等廢棄物的消納、處理等;(6)產(chǎn)業(yè)鏈接技術(shù):包括鋼廠-水泥廠-發(fā)電廠-石化廠-化工廠(化肥、制鹽)-造船-集裝箱制造