冶金流程工程学发展回顾与展望徐安军1.pptx

冶金流程工程学回顾与展望冶金流程工程学回顾与展望北京科技大学北京科技大学 徐安军徐安军2014.7内内 容容v 引言引言v 冶金流程工程学形成背景冶金流程工程学形成背景v 冶金流程工程学形成过程冶金流程工程学形成过程v 主要研究内容主要研究内容v 学科形成的标志学科形成的标志v 未来设想和展望未来设想和展望引言引言v 冶金流程工程学：倡导和探索冶金流程工程学：倡导和探索v 单体到整体：思考问题角度变化单体到整体：思考问题角度变化v 实践到理论：学科分支的雏形实践到理论：学科分支的雏形v 观点提出到逐渐接受：从学科发展的观点提出到逐渐接受：从学科发展的高度进行总结的必要性高度进行总结的必要性形成背景形成背景v 工业实践背景工业实践背景v 科学理论发展的作用科学理论发展的作用v 对流程（过程工程）的哲学思考对流程（过程工程）的哲学思考工业实践背景工业实践背景v 设备大型化，生产过程连续化设备大型化，生产过程连续化v 20世纪世纪80年代，国外一些先进的钢厂已经注意年代，国外一些先进的钢厂已经注意到流程整体改进生产和管理，没有从理论上探讨，到流程整体改进生产和管理，没有从理论上探讨，只是作为一项具体的先进技术或管理措施来对待。只是作为一项具体的先进技术或管理措施来对待。v 流程结构发生革命性变化，转炉代替平炉，连铸流程结构发生革命性变化，转炉代替平炉，连铸代替模铸代替模铸v 工序功能集和工序关系集的变化工序功能集和工序关系集的变化v 流程紧凑、物流通畅、节奏均衡的准连续运行方流程紧凑、物流通畅、节奏均衡的准连续运行方式渐具雏形式渐具雏形v 产品生产专业化分工产品生产专业化分工科学理论发展的作用科学理论发展的作用v 冶金生产流程的动态运行过程在本质上属于耗散结构的自组织问冶金生产流程的动态运行过程在本质上属于耗散结构的自组织问题，而不是孤立系统的命题题，而不是孤立系统的命题v 熵在本质上是表征过程演变的不可逆性的热力学函数。熵增加赋熵在本质上是表征过程演变的不可逆性的热力学函数。熵增加赋予时间箭头永远指向正方向予时间箭头永远指向正方向v 时空结构则通过非线性相互作用促成系统宏观动态有序。三个方时空结构则通过非线性相互作用促成系统宏观动态有序。三个方面的相互影响恰好是一种矛盾的统一体面的相互影响恰好是一种矛盾的统一体即所谓即所谓“秩序来自混乱秩序来自混乱”。v 序参量激发子系统之间通过非线性相互作用产生协同现象和相干序参量激发子系统之间通过非线性相互作用产生协同现象和相干效应，使系统成为整个结构有序化的自组织结构。效应，使系统成为整个结构有序化的自组织结构。v 自自20世纪世纪30年代应用化学热力学研究冶金反应开始，冶金由技艺年代应用化学热力学研究冶金反应开始，冶金由技艺转化为科学，至今已形成了不同时空尺度、不同层次的各类过程原理，转化为科学，至今已形成了不同时空尺度、不同层次的各类过程原理，对流程（过程工程）的哲学思考对流程（过程工程）的哲学思考v 科学、技术和工程的关系科学、技术和工程的关系v 关于工程演化论关于工程演化论v 关于还原论的缺失关于还原论的缺失v 规律和事件规律和事件科学、技术和工程的关系科学、技术和工程的关系v 工程：某些核心技术及相关技术所构成的集成性知识体系，并且要和工程：某些核心技术及相关技术所构成的集成性知识体系，并且要和经济要素合理配置在一起，才能形成工程系统，其特征是集成、构建。经济要素合理配置在一起，才能形成工程系统，其特征是集成、构建。v 技术：通过经验积累和反映科学原理，体现着巧妙构思和工艺技能的技术：通过经验积累和反映科学原理，体现着巧妙构思和工艺技能的特殊的知识体系，其特征是发明、创新。特殊的知识体系，其特征是发明、创新。v 科学：人类通过生产实践、专门实验和思维探索所认识到的自然和社科学：人类通过生产实践、专门实验和思维探索所认识到的自然和社会的客观规律，是根据研究对象的矛盾特殊性所区分成的多门类、有条会的客观规律，是根据研究对象的矛盾特殊性所区分成的多门类、有条理、有逻辑的规律性知识体系，其特征是发现。理、有逻辑的规律性知识体系，其特征是发现。v 工程和技术都包含人的主观能动性；科学则是揭示和说明事物发展变工程和技术都包含人的主观能动性；科学则是揭示和说明事物发展变化的规律，是客观规律的反映，不可能被发明或创新。经典的科学知识，化的规律，是客观规律的反映，不可能被发明或创新。经典的科学知识，并不因为是古老的而随时代的前进被废弃或淘汰。工程科学应该能正确并不因为是古老的而随时代的前进被废弃或淘汰。工程科学应该能正确反映工程本质及其相关的、实质的技术模块之间相互关系，能经受实验反映工程本质及其相关的、实质的技术模块之间相互关系，能经受实验验证和实践检验，并能促进工程系统和各技术单元不断前进的集成性、验证和实践检验，并能促进工程系统和各技术单元不断前进的集成性、复杂性和构建性的科学规律的形成。复杂性和构建性的科学规律的形成。关于工程演化论关于工程演化论v 作为耗散结构的自组织过程，工程演化和生物进化具作为耗散结构的自组织过程，工程演化和生物进化具有相当程度的类似性。演化是从一种存在形态向另一个有相当程度的类似性。演化是从一种存在形态向另一个存在形态的转化过程，工程演化离不开技术进步。演化存在形态的转化过程，工程演化离不开技术进步。演化过程可以是连续性过程可以是连续性-渐进性的渐进性的“用进废退用进废退”和和“获得性遗获得性遗传传”，而更为突出的是，而更为突出的是“遗传变异遗传变异”和和“适者生存适者生存”，经过选择与淘汰，在演化进程中出现某种类型的经过选择与淘汰，在演化进程中出现某种类型的“奇异奇异点点”，涌现出全新的工程结构。，涌现出全新的工程结构。v 工程活动是人类利用各种资源和知识创造和构建新的工程活动是人类利用各种资源和知识创造和构建新的存在物的实践。工程活动体现着自然界与人工界要素配存在物的实践。工程活动体现着自然界与人工界要素配置上的综合集成和与之相关的决策、设计、构建、运行、置上的综合集成和与之相关的决策、设计、构建、运行、管理等过程。管理等过程。关于工程演化论关于工程演化论v 工程是对相关的、异质异构的技术进行选择、淘汰、整合、协同而工程是对相关的、异质异构的技术进行选择、淘汰、整合、协同而集成为技术模块群，和相关经济要素的优化配置而构成工程集成体。集成为技术模块群，和相关经济要素的优化配置而构成工程集成体。v 选择和淘汰就是一种竞争。选择是人为的，有主观意识的作用，但选择和淘汰就是一种竞争。选择是人为的，有主观意识的作用，但又体现了客观的经济规律，不是纯粹靠主观意志能控制的。又体现了客观的经济规律，不是纯粹靠主观意志能控制的。v 在选择技术时，还要重视在选择技术时，还要重视“壁垒壁垒”与与“陷阱陷阱”问题。采用新技术往问题。采用新技术往往过多注意克服壁垒，注意解决技术难题，但有时也会导致个别往过多注意克服壁垒，注意解决技术难题，但有时也会导致个别“新新”技术孤立领先，和工程中其他组元不协同、不配套而导致结构失衡技术孤立领先，和工程中其他组元不协同、不配套而导致结构失衡的陷阱。的陷阱。v 总体上说，技术进步是工程演化的重要推动力之一。演化论所研讨总体上说，技术进步是工程演化的重要推动力之一。演化论所研讨的内容是在长的时间尺度上的发展特征和转化规律，演化形成的工程的内容是在长的时间尺度上的发展特征和转化规律，演化形成的工程结构（例如流程）能否有利于自己的持续发展，对自然会产生何种影结构（例如流程）能否有利于自己的持续发展，对自然会产生何种影响，都需要经历较长时期才能显现。响，都需要经历较长时期才能显现。关于还原论的缺失关于还原论的缺失v 研究工程这类复杂过程时，习惯的方法是把它加以解析，把各研究工程这类复杂过程时，习惯的方法是把它加以解析，把各个单元孤立起来分类研究各自的运动规律，并浓缩成某种学科理个单元孤立起来分类研究各自的运动规律，并浓缩成某种学科理论。这种方法有利于对各种局部性、单元性的事物规律深入认识，论。这种方法有利于对各种局部性、单元性的事物规律深入认识，但却忽略了单元与单元之间的互动关系，冲淡了整体性。这是一但却忽略了单元与单元之间的互动关系，冲淡了整体性。这是一种种“还原论还原论”的方法。的方法。v 在分割、还原的过程中，往往丢弃了相互作用界面处的大量动在分割、还原的过程中，往往丢弃了相互作用界面处的大量动态的、连续的、协同的信息，而这些界面信息涉及结构、动态运态的、连续的、协同的信息，而这些界面信息涉及结构、动态运行等主要问题；行等主要问题；v 更进一步减弱对整体性事物的了解。更进一步减弱对整体性事物的了解。单纯从某个局部出发来理单纯从某个局部出发来理解综合性的工程问题，可能会失之于以偏概全，导致谬误。因此解综合性的工程问题，可能会失之于以偏概全，导致谬误。因此要注意克服还原论方法的缺失，把解析过程失落的信息、知识通要注意克服还原论方法的缺失，把解析过程失落的信息、知识通过整体论、复杂性、协同论等方法挖掘出来。过整体论、复杂性、协同论等方法挖掘出来。规律和事件规律和事件v 在科技问题的研究中，最常用的方法是决定论。找到描述在科技问题的研究中，最常用的方法是决定论。找到描述过程运动和变化的微分方程，只要确定了初始条件，就可以过程运动和变化的微分方程，只要确定了初始条件，就可以通过积分（解析的或数值的）预测出变化的轨迹和未来的状通过积分（解析的或数值的）预测出变化的轨迹和未来的状况，或者说，只要现在固定，未来就被固定下来。牛顿力学况，或者说，只要现在固定，未来就被固定下来。牛顿力学就是决定论方法的代表之一。确实当被研究的问题能够合理就是决定论方法的代表之一。确实当被研究的问题能够合理的简化时，决定论是十分有效的。的简化时，决定论是十分有效的。决定论方法已成为大多数决定论方法已成为大多数科技工作者的习惯思维。然而，混沌研究发现，当初始条件科技工作者的习惯思维。然而，混沌研究发现，当初始条件是无理数时，演变轨迹会出现差别。是无理数时，演变轨迹会出现差别。规律和事件规律和事件v 牛顿力学的可预测性也不是绝对的。对于复杂的事物和课牛顿力学的可预测性也不是绝对的。对于复杂的事物和课题，例如工程问题，决定论的适用程度就有限了。在耗散结题，例如工程问题，决定论的适用程度就有限了。在耗散结构中，涨落是离散型事件，但有时却能够触发系统自组织的构中，涨落是离散型事件，但有时却能够触发系统自组织的序参量，这显然不是用决定论方法可以判定的。决定论和随序参量，这显然不是用决定论方法可以判定的。决定论和随机论，规律和随机事件，是复杂的客观世界的二重性。普利机论，规律和随机事件，是复杂的客观世界的二重性。普利高津说：世界之丰富多彩，不是用一种语言可以完全概括高津说：世界之丰富多彩，不是用一种语言可以完全概括.，经验的不同方面，不可能用单一的描述包罗。由于，经验的不同方面，不可能用单一的描述包罗。由于客观世界的差异性和复杂性，客观世界的差异性和复杂性，在流程这样的工程问题的研究在流程这样的工程问题的研究中，需要注意决定论和随机性互补的思维方式。中，需要注意决定论和随机性互补的思维方式。形成的过程形成的过程v 冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化冶金工序功能的演进和钢厂结构的优化专题论文，在专题论文，在金属学报金属学报1993年第年第7期上发表期上发表v 1990至至2000年的十年间，全面推广全连铸，基于钢铁生产流程的连续化年的十年间，全面推广全连铸，基于钢铁生产流程的连续化（准连续化）和紧凑化的总体性命题由此产生。提出了钢铁冶金制造流程在物理（准连续化）和紧凑化的总体性命题由此产生。提出了钢铁冶金制造流程在物理本质方面是一种多维物质流，是集成了物态转变、物性控制和物流管制在时间、本质方面是一种多维物质流，是集成了物态转变、物性控制和物流管制在时间、温度和物质流通量三个基本参数在空间上的融合、贯通、协调和控制的过程温度和物质流通量三个基本参数在空间上的融合、贯通、协调和控制的过程v 2000年至年至2004年，在原有理念和实际应用过程出现的问题及其解决过程中，年，在原有理念和实际应用过程出现的问题及其解决过程中，主要集中在提出和定义一系列概念或概念模型。如钢铁生产过程是铁素物质流沿主要集中在提出和定义一系列概念或概念模型。如钢铁生产过程是铁素物质流沿着节点和连接器构成的流程网络，按照一定的程序进行不同型式（连续、准连续、着节点和连接器构成的流程网络，按照一定的程序进行不同型式（连续、准连续、间歇）的动态运行，间歇）的动态运行，“流流”、“流程网络流程网络”、“程序程序”是钢厂制造流程动态运行是钢厂制造流程动态运行过程的要素。对时间、连续化程度等概念也进行了系统的描述。由此，基本形成过程的要素。对时间、连续化程度等概念也进行了系统的描述。由此，基本形成了冶金流程工程学的完整理论框架，其标志性的成果是了冶金流程工程学的完整理论框架，其标志性的成果是2004年年冶金流程工程冶金流程工程学学的出版。从这一时期开始，逐步在北京科技大学等主要冶金院校的本科生、的出版。从这一时期开始，逐步在北京科技大学等主要冶金院校的本科生、硕士研究生和博士研究生中开设了选修、必修课程。硕士研究生和博士研究生中开设了选修、必修课程。形成的过程形成的过程v 钢铁制造流程多维物质流控制的概念应用到实际的钢厂的生产运行过程，产生钢铁制造流程多维物质流控制的概念应用到实际的钢厂的生产运行过程，产生了对钢铁制造流程功能新的阐述。作为一个整体，钢铁制造流程的功能不再是单了对钢铁制造流程功能新的阐述。作为一个整体，钢铁制造流程的功能不再是单一的生产出钢产品，现代钢铁生产流程的功能应该包括产品制造、能源转换和社一的生产出钢产品，现代钢铁生产流程的功能应该包括产品制造、能源转换和社会废弃物消纳三个方面。由于能源、资源的短缺，钢铁制造流程不能只关注钢铁会废弃物消纳三个方面。由于能源、资源的短缺，钢铁制造流程不能只关注钢铁产品的生产，还必须综合考虑能量的高效转换、余热余能的及时回收、污染的减产品的生产，还必须综合考虑能量的高效转换、余热余能的及时回收、污染的减少和资源的循环利用，整体优化概念的进一步扩展，形成了新一代钢铁制造流程少和资源的循环利用，整体优化概念的进一步扩展，形成了新一代钢铁制造流程新的功能，即钢铁产品生产、能源高效利用和社会废弃物消纳新的功能，即钢铁产品生产、能源高效利用和社会废弃物消纳-处理处理-再资源化。再资源化。尽管单个化学反应、单体技术和单体工序也存在诸多的关键科学和技术问题亟待尽管单个化学反应、单体技术和单体工序也存在诸多的关键科学和技术问题亟待研究，但要达到上述目的，钢铁生产不能只关注单个化学反应、单体装置和工序，研究，但要达到上述目的，钢铁生产不能只关注单个化学反应、单体装置和工序，而应该从流程整体上考虑冶金功能的合理分配，淘汰落后工序而应该从流程整体上考虑冶金功能的合理分配，淘汰落后工序/装置，增加新生装置，增加新生的工序，重新设计工序之间的合理衔接和匹配方式。在此过程中，把产品制造、的工序，重新设计工序之间的合理衔接和匹配方式。在此过程中，把产品制造、能源转换和环境生态三个方面诸多的因素耦合在时间这个主要因素上。能源转换和环境生态三个方面诸多的因素耦合在时间这个主要因素上。形成的过程形成的过程v 2004年后，中国国家中、长期科技发展规划中有关流程年后，中国国家中、长期科技发展规划中有关流程制造业的科学与技术发展的重大课题制造业的科学与技术发展的重大课题“新一代钢铁制造新一代钢铁制造流程流程”的研究，从概念和内涵等方面认识到，新一代钢铁制的研究，从概念和内涵等方面认识到，新一代钢铁制造流程是一个涉及技术集成和结构优化的工程科学命题，不造流程是一个涉及技术集成和结构优化的工程科学命题，不是简单地将若干先进技术和前沿技术捆绑在一起就构成新一是简单地将若干先进技术和前沿技术捆绑在一起就构成新一代钢铁制造流程。这就改进了局限于推广运用个别先进技术代钢铁制造流程。这就改进了局限于推广运用个别先进技术的传统方法，转向流程动态运行的物理本质研究。并提升到的传统方法，转向流程动态运行的物理本质研究。并提升到工程哲学层面研究。工程哲学层面研究。研究内容研究内容v 冶金工序功能的解析与集成优化冶金工序功能的解析与集成优化v 冶金流程动态运行的物理本质研究冶金流程动态运行的物理本质研究v 冶金生产流程中基本变量和派生参数的研究冶金生产流程中基本变量和派生参数的研究v 冶金制造流程中时间因素的研究冶金制造流程中时间因素的研究v 现代电炉炼钢冶炼周期综合控制理论的研究现代电炉炼钢冶炼周期综合控制理论的研究v 界面技术的研究界面技术的研究v 钢铁制造流程的动态运行研究钢铁制造流程的动态运行研究v 流程网络及其物质流流程网络及其物质流-能量流耦合控制理论研究能量流耦合控制理论研究v 流程宏观运行动力学机制和运行规则研究流程宏观运行动力学机制和运行规则研究v 钢铁厂动态精准设计理论和方法研究钢铁厂动态精准设计理论和方法研究v 现代钢厂功能拓展和循环经济现代钢厂功能拓展和循环经济 冶金工序功能的解析与集成优化冶金工序功能的解析与集成优化v 钢铁冶金工序功能：在钢铁生产的某个工序中钢铁冶金工序功能：在钢铁生产的某个工序中完成的冶金任务。完成的冶金任务。v 就冶金工序而言，工序功能是多元化的，每一就冶金工序而言，工序功能是多元化的，每一个工序都可以完成多个冶金任务，如高炉，可以完个工序都可以完成多个冶金任务，如高炉，可以完成铁矿石还原、脱硫、渗碳等功能；转炉可完成脱成铁矿石还原、脱硫、渗碳等功能；转炉可完成脱碳、脱磷、脱硫、升温等功能；碳、脱磷、脱硫、升温等功能；v 随着钢铁冶金技术的进步，每一个工序的功能随着钢铁冶金技术的进步，每一个工序的功能都在发生变化，出现了工序功能的演进。都在发生变化，出现了工序功能的演进。冶金流程动态运行的物理本质研究冶金流程动态运行的物理本质研究v 流程动态运行的三要素：即流程动态运行的三要素：即“流流”、“流程网络流程网络”和和“流流程程序程程序”。钢铁制造流程属于耗散结构与自组织过程。钢铁制造流程属于耗散结构与自组织过程。v 钢铁制造流程是一种复杂的、非平衡的开放系统，包含着钢铁制造流程是一种复杂的、非平衡的开放系统，包含着加热、熔炼、精炼、凝固、相变和塑性形变等物理化学过程。加热、熔炼、精炼、凝固、相变和塑性形变等物理化学过程。其各单元工序之间具有异质性和非线性相互作用，流程系统其各单元工序之间具有异质性和非线性相互作用，流程系统和环境之间进行着多种形式的物质、能量、信息的交换，整和环境之间进行着多种形式的物质、能量、信息的交换，整个流程形成动态个流程形成动态-有序运行的耗散结构。当流程的某些参数达有序运行的耗散结构。当流程的某些参数达到临界值（例如连铸坯厚度和拉速），流程的时间到临界值（例如连铸坯厚度和拉速），流程的时间-空间结构空间结构发生演化，并形成全新的状态，使过程的进行更加接近连续发生演化，并形成全新的状态，使过程的进行更加接近连续-紧凑化，呈现出显著的工程效应。紧凑化，呈现出显著的工程效应。冶金生产流程中基本变量和派生参数的研究冶金生产流程中基本变量和派生参数的研究v 流程的运行过程是一种耗散结构的自组织过程。流程的运行过程是一种耗散结构的自组织过程。v 为了描述流程的整体行为，需要适应不同于对局部过程微为了描述流程的整体行为，需要适应不同于对局部过程微观描述的习惯性概念。也就是要用少量几个变量来描述整个观描述的习惯性概念。也就是要用少量几个变量来描述整个冶金生产流程的动态有序运行过程。冶金生产流程的动态有序运行过程。v 变量应有下述特征：变量应有下述特征：贯通整个流程中各个工序、装置；贯通整个流程中各个工序、装置；在整个流程运行中可量化表示；在整个流程运行中可量化表示；以同一形式，同一单位以同一形式，同一单位贯穿流程始末。经过研究，得出了物质量贯穿流程始末。经过研究，得出了物质量Q(重量、流量、浓重量、流量、浓度度)、温度、温度T、时间、时间t三个基本变量。流程中各种反应及状态三个基本变量。流程中各种反应及状态变化，例如铁素物质流的质量、规格、形态等是由上述基本变化，例如铁素物质流的质量、规格、形态等是由上述基本变量决定的派生参数。流程过程的多因子物质流控制，就是变量决定的派生参数。流程过程的多因子物质流控制，就是通过综合调控这些基本参量来实现物质流的衔接、匹配、连通过综合调控这些基本参量来实现物质流的衔接、匹配、连续和稳定的。续和稳定的。冶金制造流程中时间因素的研究冶金制造流程中时间因素的研究v 时间是流程运行的一个基本变量。研究指出：不应该把时间简单地时间是流程运行的一个基本变量。研究指出：不应该把时间简单地认为是一个随机自变量，不应该仅仅把时间作为各类过程，各种因子认为是一个随机自变量，不应该仅仅把时间作为各类过程，各种因子变化的坐标轴。变化的坐标轴。v 在冶金流程中，时间作为一个重要的目标值往往被忽视。在冶金流程中，时间作为一个重要的目标值往往被忽视。v 研究发现，如果从不同尺度，不同层次的视角去观察过程中时间变研究发现，如果从不同尺度，不同层次的视角去观察过程中时间变量参数，会有不同的概念和认识。在低层次的过程中看似随机的、无量参数，会有不同的概念和认识。在低层次的过程中看似随机的、无序的时间值，在高一层次或更大尺度上看，恰是有序的，甚至是有重序的时间值，在高一层次或更大尺度上看，恰是有序的，甚至是有重要意义的临界值。为了揭示时间因子在流程动态协调运行中的作用，要意义的临界值。为了揭示时间因子在流程动态协调运行中的作用，时间参数在流程中的表现形式可以区分为时间点、时间序、时间域、时间参数在流程中的表现形式可以区分为时间点、时间序、时间域、时间位，时间周期、时间节奏等概念。将时间因子作为流程系统动态时间位，时间周期、时间节奏等概念。将时间因子作为流程系统动态运行过程中的目标函数来研究，会有效地促进由不同操作方式的工序运行过程中的目标函数来研究，会有效地促进由不同操作方式的工序所构成的复杂生产流程实现稳定、连续所构成的复杂生产流程实现稳定、连续/准连续运行。准连续运行。时间域时间周期时间点工序作业时间辅助、缓冲时间时间位现代电炉炼钢冶炼周期综合控制理论的研究现代电炉炼钢冶炼周期综合控制理论的研究v以废钢为主要原料的电炉流程生产方式，是另一种重要钢铁以废钢为主要原料的电炉流程生产方式，是另一种重要钢铁生产流程。生产流程。v 传统的电炉炼钢法，冶炼周期长，不可能和连续铸钢工序协传统的电炉炼钢法，冶炼周期长，不可能和连续铸钢工序协调调-连续化地运行。为使电炉流程生产能够连续紧凑、动态有序连续化地运行。为使电炉流程生产能够连续紧凑、动态有序地运行，必须改造传统电炉工序的构成模式，即要把还原熔炼地运行，必须改造传统电炉工序的构成模式，即要把还原熔炼的功能调整到出钢以后，而且往电炉引入化学热和物理热源。的功能调整到出钢以后，而且往电炉引入化学热和物理热源。在此基础上，对电炉工序的冶炼时间作为一个重要的目标函数在此基础上，对电炉工序的冶炼时间作为一个重要的目标函数进行研究尤有必要。傅杰教授研究提出的现代电炉冶炼周期的进行研究尤有必要。傅杰教授研究提出的现代电炉冶炼周期的综合控制理论，很好地反映现代电炉炼钢工序运行过程的内在综合控制理论，很好地反映现代电炉炼钢工序运行过程的内在规律，有利于使电炉炼钢和连铸协调规律，有利于使电炉炼钢和连铸协调-连续运行。随着我国废钢连续运行。随着我国废钢积累的增加，电炉炼钢技术的发展及其冶炼周期的优化，将会积累的增加，电炉炼钢技术的发展及其冶炼周期的优化，将会受到更多的重视。受到更多的重视。“界面技术界面技术”的研究的研究v 按照还原论的视角研究冶金生产过程按照还原论的视角研究冶金生产过程,只重视某些工序内部的物只重视某些工序内部的物理化学反应理化学反应,对于不同工序之间的关系是忽视的对于不同工序之间的关系是忽视的,有时仅仅把它作为有时仅仅把它作为运输物料的环节运输物料的环节,只要保证下一个工序能够进行生产就够了。为此，只要保证下一个工序能够进行生产就够了。为此，甚至不惜增加库存，或者以上、下工序相互等待、随机连接的方甚至不惜增加库存，或者以上、下工序相互等待、随机连接的方法，来组织生产过程，既浪费了物资和能源，又占用了资金。流法，来组织生产过程，既浪费了物资和能源，又占用了资金。流程动态运行过程的研究认识到，工序之间关系的协调程动态运行过程的研究认识到，工序之间关系的协调-优化具有重优化具有重要意义。为此，引发了一系列的界面技术的概念和方法。例如，要意义。为此，引发了一系列的界面技术的概念和方法。例如，高炉和转炉之间的高炉和转炉之间的“一罐到底一罐到底”技术：铁水罐既作为承接高炉出技术：铁水罐既作为承接高炉出铁和运输铁水的设备，又作为铁水预脱硫的反应器，同时全部铁铁和运输铁水的设备，又作为铁水预脱硫的反应器，同时全部铁水一次准确地装入转炉。既显著节约了运输铁水的时间，又显著水一次准确地装入转炉。既显著节约了运输铁水的时间，又显著提高了铁水脱硫的温度和硫的活度，在不增大投入的前提下，提提高了铁水脱硫的温度和硫的活度，在不增大投入的前提下，提高了铁水预处理的脱硫效率。其它还有连铸高了铁水预处理的脱硫效率。其它还有连铸-轧钢加热炉之间的界轧钢加热炉之间的界面技术等。面技术等。钢铁制造流程的动态运行研究钢铁制造流程的动态运行研究v 钢铁制造过程系统运行动力学是钢铁厂系统运行优化的重要理论基础，具有集钢铁制造过程系统运行动力学是钢铁厂系统运行优化的重要理论基础，具有集成创新性。成创新性。v 流程中的原料储存及处理、高炉、铁水预处理、转炉、炉外精炼、连铸、加热流程中的原料储存及处理、高炉、铁水预处理、转炉、炉外精炼、连铸、加热炉和热轧机等工序炉和热轧机等工序/装置构成了流程运行过程中的装置构成了流程运行过程中的“刚性刚性”组元和组元和“柔性柔性”组元组元v 这些异质、异构的组元，通过非线性相互作用，形成了这些异质、异构的组元，通过非线性相互作用，形成了“弹性链谐振弹性链谐振”方式的方式的动态运行，并呈现出动态运行，并呈现出“推力推力”-“缓冲器缓冲器”-“拉力拉力”的宏观运行动力学机制。例如的宏观运行动力学机制。例如在钢厂冶炼生产过程中，高炉是推力源，连铸是拉力源，如能在该区段内构筑合在钢厂冶炼生产过程中，高炉是推力源，连铸是拉力源，如能在该区段内构筑合理、优化的理、优化的“缓冲缓冲-协同协同”机制，则可实现钢厂冶炼系统有序、稳定、高效、连机制，则可实现钢厂冶炼系统有序、稳定、高效、连续地运行。续地运行。v 从流程系统运行的角度归纳得出钢厂系统运行优化的逻辑与实现关系，构建运从流程系统运行的角度归纳得出钢厂系统运行优化的逻辑与实现关系，构建运行方式行方式弹性链弹性链/半弹性链谐振体系的运行规则，提出指导钢厂制造流程运行优半弹性链谐振体系的运行规则，提出指导钢厂制造流程运行优化的化的“炉机对应炉机对应”原则、原则、“能耗最小能耗最小”原则、原则、“拉速决定流通量拉速决定流通量”原则和原则和“连浇连浇”原则，同时引入流程的组织和控制的动态原则，同时引入流程的组织和控制的动态Gantt图，分别对应流程系统运行的图，分别对应流程系统运行的有序性、稳定性、高效性和连续性，形成较为完整的流程动态运行优化的规则体有序性、稳定性、高效性和连续性，形成较为完整的流程动态运行优化的规则体系系A-AA-A设定的一般状态设定的一般状态 A(+)-A(-)A(+)-A(-)正常柔性调控范围正常柔性调控范围A(+)-A(-)A(+)-A(-)极限柔性调控范围极限柔性调控范围电炉；电炉；钢包炉；钢包炉；连铸机；连铸机；加热炉及附属储存库；加热炉及附属储存库；热轧机热轧机流程网络及其物质流流程网络及其物质流-能量流耦合控制理论研究能量流耦合控制理论研究v 钢铁制造流程中，以物质流为主体的角度看，铁素物质流钢铁制造流程中，以物质流为主体的角度看，铁素物质流与碳素能量流的关系是相伴而行的，而从碳素能量流为主体与碳素能量流的关系是相伴而行的，而从碳素能量流为主体的角度看，则碳素流物质流与铁素物质流的关系则是时合时的角度看，则碳素流物质流与铁素物质流的关系则是时合时分的。因此，在流程中不仅存在物质流网络及相关运行程序，分的。因此，在流程中不仅存在物质流网络及相关运行程序，同时还存在与物质流有关的能量流网络及其运行程序。正确同时还存在与物质流有关的能量流网络及其运行程序。正确认识和实施能量流网络的动态认识和实施能量流网络的动态-有序、协同有序、协同-高效运行，将促高效运行，将促进能量转换效率的提高，减小流程的能量耗散和有害物的排进能量转换效率的提高，减小流程的能量耗散和有害物的排放。钢铁厂的节能减排、环境友好工作应该进入以建立能量放。钢铁厂的节能减排、环境友好工作应该进入以建立能量流网络流网络能源管控中心为主要标志的发展新阶段能源管控中心为主要标志的发展新阶段流程宏观运行动力学机制和运行规则研究流程宏观运行动力学机制和运行规则研究为了使各工序、装置能够在流程整体运行过程中实现动态为了使各工序、装置能够在流程整体运行过程中实现动态-有序、协同有序、协同-准连续准连续/连续运行，提出了流程设计生产运行过程中较为完整的规则体系：连续运行，提出了流程设计生产运行过程中较为完整的规则体系：a）间歇运行的工序、装置要适应和服从准连续）间歇运行的工序、装置要适应和服从准连续/连续运行的工序、装置动态运行连续运行的工序、装置动态运行的需要。例如，炼钢炉、精炼炉要适应、服从连铸机多炉连浇所要求提出的钢水的需要。例如，炼钢炉、精炼炉要适应、服从连铸机多炉连浇所要求提出的钢水温度、化学成分特别是时间节奏参数的要求等；温度、化学成分特别是时间节奏参数的要求等；b）准连续）准连续/连续运行的工序、装置要引导和规范间歇运行的工序、装置的运行行连续运行的工序、装置要引导和规范间歇运行的工序、装置的运行行为。例如，高效为。例如，高效-恒拉速的连铸机运行要对相关的铁水预处理、炼钢炉、精炼装恒拉速的连铸机运行要对相关的铁水预处理、炼钢炉、精炼装置提出钢水流通量、钢水温度、钢水洁净度和时间过程的要求；置提出钢水流通量、钢水温度、钢水洁净度和时间过程的要求；c）低温连续运行的工序、装置服从高温连续运行的工序、装置。例如，烧结机、）低温连续运行的工序、装置服从高温连续运行的工序、装置。例如，烧结机、球团等生产过程在产出量和质量等方面要服从高炉动态运行的要求；球团等生产过程在产出量和质量等方面要服从高炉动态运行的要求；d）在串联）在串联-并联的流程结构中，要尽可能多地实现并联的流程结构中，要尽可能多地实现“层流式层流式”运行运行,以避免不必以避免不必要的要的“横向横向”干扰，而导致干扰，而导致“紊流式紊流式”运行。例如，炼钢厂内通过连铸机运行。例如，炼钢厂内通过连铸机-二次二次精炼装置精炼装置-炼钢炉之间形成相对固定的、不同产品的专线化生产等；炼钢炉之间形成相对固定的、不同产品的专线化生产等；e）上、下游工序装置之间能力的匹配对应和紧凑布局是）上、下游工序装置之间能力的匹配对应和紧凑布局是“层流式层流式”运行的基础。运行的基础。例如，铸坯高温热装要求连铸机与加热炉例如，铸坯高温热装要求连铸机与加热炉-热轧机之间的工序产能力匹配并固定热轧机之间的工序产能力匹配并固定-协同匹配运行等；协同匹配运行等；f）制造流程整体运行一般应建立起推力源）制造流程整体运行一般应建立起推力源-缓冲器缓冲器-拉力源的动态拉力源的动态-有序、协同有序、协同-连连续运行的宏观运行动力学机制。续运行的宏观运行动力学机制。钢铁厂动态精准设计理论和方法研究钢铁厂动态精准设计理论和方法研究v工程设计应该体现诸多技术要素、技术单元的动态集成，以确保工程系统运行工程设计应该体现诸多技术要素、技术单元的动态集成，以确保工程系统运行过程中的整体有序性和稳定性，并易于成为现实的生产力过程中的整体有序性和稳定性，并易于成为现实的生产力特别是体现在达产特别是体现在达产快、运行稳定有效。快、运行稳定有效。v 选择是工程设计的重要关键，亦即从时代宏观环境的需要出发，以要素选择是工程设计的重要关键，亦即从时代宏观环境的需要出发，以要素-结构结构-功能功能-效率优化为基础，做出正确的判断与适应。即钢厂的生产流程和产业链的效率优化为基础，做出正确的判断与适应。即钢厂的生产流程和产业链的构建与延伸要适应自然、社会、经济、市场和工艺技术不断变化、不断进步的时构建与延伸要适应自然、社会、经济、市场和工艺技术不断变化、不断进步的时代性趋势。优化生产流程和产业链的要素代性趋势。优化生产流程和产业链的要素-结构结构-功能功能-效率，必然要求生产流程对效率，必然要求生产流程对工序工序/装置的合理化选择和工序装置的合理化选择和工序/装置之间的协同化集成；反过来，各种工序装置之间的协同化集成；反过来，各种工序/装装置的要素置的要素-结构结构-功能功能-效率也必须能适应生产流程的结构效率也必须能适应生产流程的结构-功能功能-效率优化和产品市效率优化和产品市场的合理定位。产业链延伸、企业间物质和能量的相互有效、有序利用也是未来场的合理定位。产业链延伸、企业间物质和能量的相互有效、有序利用也是未来钢厂的发展趋势。钢厂的发展趋势。v 工程设计必须克服传统的静态、局部的单体技术设计方法。工程设计不是孤立工程设计必须克服传统的静态、局部的单体技术设计方法。工程设计不是孤立地选择新技术，而应该从动态地选择新技术，而应该从动态-协同的总体目标出发，进行概念设计、顶层设计，协同的总体目标出发，进行概念设计、顶层设计，使各单元技术形成一个动态使各单元技术形成一个动态-有序、连续有序、连续-紧凑的工程整体集成效应，达到多目标紧凑的工程整体集成效应，达到多目标优化。首钢京唐钢铁公司曹妃甸钢厂的设计体现了这种设计思想。优化。首钢京唐钢铁公司曹妃甸钢厂的设计体现了这种设计思想。动态精准设计方法动态精准设计方法动态精准设计方法动态精准设计方法 动态动态动态动态-有序运行技术有序运行技术有序运行技术有序运行技术 仿真平台仿真平台仿真平台仿真平台 评价体系评价体系评价体系评价体系 新一代钢厂动态新一代钢厂动态新一代钢厂动态新一代钢厂动态-有序运行理论框架和物理模型有序运行理论框架和物理模型有序运行理论框架和物理模型有序运行理论框架和物理模型 新一代钢厂建设新一代钢厂建设 现代钢厂功能拓展和循环经济现代钢厂功能拓展和循环经济 v 通过对钢厂生产流程动态运行物理本质的研究，揭示出钢通过对钢厂生产流程动态运行物理本质的研究，揭示出钢厂应具有钢铁产品制造功能、能源高效转换功能和社会大宗厂应具有钢铁产品制造功能、能源高效转换功能和社会大宗废弃物消纳处理和再资源化等三项功能。从产品制造链、商废弃物消纳处理和再资源化等三项功能。从产品制造链、商品价值的演变出发，研究了节能、清洁生产和钢铁工业绿色品价值的演变出发，研究了节能、清洁生产和钢铁工业绿色制造问题，强调钢铁制造流程系统优化的重要性，指出钢厂制造问题，强调钢铁制造流程系统优化的重要性，指出钢厂环境问题的概念是要通过节能环境问题的概念是要通过节能清洁生产清洁生产绿色制造过程逐绿色制造过程逐步实现环境友好。与此同时步实现环境友好。与此同时,讨论了钢厂生产流程过程中的节讨论了钢厂生产流程过程中的节能、清洁生产问题和钢材及其制品的绿色度问题。最后展望能、清洁生产问题和钢材及其制品的绿色度问题。最后展望了与钢铁企业有关的生态工业链和未来钢铁企业在循环经济了与钢铁企业有关的生态工业链和未来钢铁企业在循环经济社会中的角色。社会中的角色。冶金材料制造功冶金材料制造功冶金材料制造功冶金材料制造功能能能能能源转换能源转换能源转换能源转换功能功能功能功能市场竞争力市场竞争力市场竞争力市场竞争力可持续发展可持续发展可持续发展可持续发展资源、能源可供性资源、能源可供性资源、能源可供性资源、能源可供性钢钢钢钢铁铁铁铁制制制制造造造造流流流流程程程程社社社社会会会会大大