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綠色發(fā)展的現代鋼鐵流程

    11月18日，由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會、中國金屬學會主辦的“2014鋼鐵行業(yè)技術創(chuàng)新大會暨科技負責人會議”在北京舉行。中國工程院院士干勇在會上做了題為《低碳經濟下現代鋼鐵流程和生態(tài)鋼鐵產品》的專題報告。本文就現代鋼鐵流程方面的有關內容摘編如下，以饗讀者。

    鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展的內涵

     鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展是指按照循環(huán)經濟的基本原則，以清潔生產為基礎，重點抓好資源高效利用和節(jié)能減排，全面實現鋼鐵產品制造、能源轉換、廢棄物處理消納和再資源化等三個功能，具有低碳特點，能與其他行業(yè)和社會生活實現生態(tài)鏈接，從而保證良好的經濟、環(huán)境和社會效益的發(fā)展模式。在鋼鐵產品制造功能方面，體現的是流程優(yōu)化、先進鋼鐵產品生產的工藝與裝備技術創(chuàng)新，即以鐵焦燒等鋼鐵長流程工序為核心，適合中國能源資源特點，突破資源能源瓶頸，突破低碳技術；研發(fā)生產全生命周期理念下的綠色產品；運用信息化技術研發(fā)推廣主工藝專家智能控制系統(tǒng)。在能源轉換功能方面，體現的是能源高效利用、回收再利用技術創(chuàng)新，即鋼鐵綠色制造，節(jié)能、環(huán)保密不可分，需向縱深化、系統(tǒng)化發(fā)展；在廢棄物處理、消納和再資源化功能方面，體現的是冶金和社會廢棄物處理、消納、再資源化技術創(chuàng)新，即加強鋼鐵與多產業(yè)間協(xié)作與銜接，將資源進一步高效利用，突破技術、利益等瓶頸及障礙，構建跨界綠色產業(yè)鏈。

    “十一五”時期鋼鐵流程的發(fā)展

    “十一五”期間，我國鋼鐵流程的發(fā)展突出體現在轉爐高效脫磷工藝、新一代可循環(huán)鋼鐵流程工藝技術、高效低成本潔凈鋼平臺關鍵技術等的應用。

    首鋼京唐鋼鐵廠實現了流程先進、裝備大型化，具有“產品制造、能源轉換和固廢消納”三大功能，是新一代可循環(huán)鋼鐵流程的代表。其流程特點是：1）采用“新一代流程”實現潔凈鋼高效低成本的生產；2）采用“一”字型布局，流程短捷順暢，布置緊湊，噸鋼占地為0.9m2；3）分散與集中布置相結合，優(yōu)化工序界面，物質流、能量流耗散最小。其主要裝備包括：7.63m大型焦爐、260t/h干熄焦，500m2燒結機、504m2球團帶式焙燒機，5500m3高爐，300t轉爐、KR、RH、LF、CAS，2250mm、1580mm熱連軋，2230mm、1700mm、1550mm冷連軋。

    首鋼京唐鋼鐵廠環(huán)保投資74.7億元，占總投資的11.2%；對余熱、余壓、余氣、廢水、含鐵物質和固體廢棄物充分循環(huán)利用，實現廢水、固體廢棄物零排放；實施海水淡化，每年節(jié)約淡水2000萬t，為社會提供濃鹽水1800萬t；電站采用海水直流冷卻，年節(jié)水1070萬t；利用富余煤氣、高爐煤氣余壓、干熄焦余熱發(fā)電，年自發(fā)電量55億度，自供電率95%以上；高爐水渣、轉爐鋼渣和電廠粉煤灰用于生產水泥和其他建筑材料等。

    “十二五”時期鋼鐵流程的發(fā)展

    “十二五”以來，鋼廠鐵、鋼、軋關鍵界面物質流、能量流協(xié)同優(yōu)化技術的開發(fā)是鋼鐵流程創(chuàng)新的重點。

    1）煉鐵-煉鋼界面物質流、能量流協(xié)同優(yōu)化技術

    以煉鐵-煉鋼界面“一罐到底”模式為依托，應用研究結果，以優(yōu)化的運行機制、合理的結構提升煉鐵-煉鋼界面動態(tài)運行，實現物質流、能量流、信息流的協(xié)同優(yōu)化，構建一罐到底技術包。主要從物質流、能量流協(xié)同運行的角度，構建與物質流耦合的能量流分配模型并進行分析；對物質動態(tài)運行過程中鐵水溫度變化規(guī)律進行的研究；分析在一體化排程條件下，煉鐵-煉鋼界面合理運行模式及相關要素的研究；研究在煉鐵、煉鋼、熱軋排程綜合成本效率最優(yōu)化條件下，煉鐵輸出到脫磷爐鐵鋼界面最佳運行模式。

    2）鐵鋼界面、鑄軋界面基于物質流能量流信息流協(xié)同優(yōu)化技術

    主要進行凝固組織控制-組織控制-形變＋相變組織，鑄、軋、材一體化技術。在連鑄時進行保護澆注、低過熱度澆注、輕壓下、液芯壓下、OM等；在軋制前，進行熱送直軋、低溫均熱、清潔燃燒、富氧燃燒等；在軋制時，采取負荷分配優(yōu)化、工藝潤滑、控軋控冷、在線熱處理；之后，進行加速冷卻、邊部屏蔽冷卻、冷卻路徑控制、超快速冷卻等的研究。

    進行了在鑄－軋－材一體化物理模型、工藝模型、控制模型、虛擬生產技術等，以及鑄－軋－材一體化組織演變模型、性能控制模型、在線與離線預報等方面的研究。

    3）物質流能量流信息流協(xié)同優(yōu)化的信息網絡模型建模技術

    綜合考慮鋼鐵制造流程產品制造過程、能源轉換過程，采用機理與統(tǒng)計方法結合的建模方法，用加權有向連接網絡構建多尺度、多層次的物質流與能量流協(xié)同優(yōu)化的網絡模型。研究實用的鐵鋼界面到鑄軋界面的鐵、鋼、熱軋一體化排程體系——鐵水、品種、鑄機、加熱爐、能量輸入輸出一體化排程技術包。

    ◆綜合考慮鋼鐵企業(yè)產品在鐵鋼界面優(yōu)化、鑄軋界面動態(tài)運行、能源轉換界面關鍵技術基礎上，研究物質流與能量流協(xié)同的信息化關鍵技術，對信息化軟件進行實驗和示范應用。在生產、能源利用、環(huán)境保護多環(huán)節(jié)，建立鋼鐵流程能量流網絡信息模型。

    ◆鋼鐵企業(yè)能量流仿真技術研究及仿真平臺的搭建。

    ◆在首鋼京唐現有EMS基礎上，融合生產過程信息，開發(fā)物質流能量流協(xié)同的能源管控軟件，并進行示范應用。

    “十三五”鋼鐵流程發(fā)展方向

    進入“十三五”，要考慮新型信息技術的應用，即鋼鐵生產全流程無線泛在感知網絡技術的應用。無線泛在感知網絡是鋼鐵生產全流程智能制造系統(tǒng)的重要支撐技術，包括：過程檢測信號的無線傳遞技術，人機共融的未來生產環(huán)境；構建物質/能量充分（循環(huán)）利用的生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)（物質流、能量流、信息流的集成優(yōu)化）；信息交互的主要手段：人與人、人與設備、設備與設備。工業(yè)互聯(lián)網的應用將進一步降低流程制造業(yè)的生產成本，提高勞動生產率。

    對于鋼鐵工業(yè)，研究目標就是將無線泛在感知網絡技術應用于鋼鐵生產領域，利用下一代網絡的開放性和無所不在的人機交互性，構建下一代鋼鐵生產過程控制系統(tǒng)；開發(fā)安全、智能、有效的基于物聯(lián)網的下一代鋼鐵生產過程控制系統(tǒng)，除具備過程設定與控制的基本功能外，該系統(tǒng)具備快速故障診斷、專家系統(tǒng)和人工智能優(yōu)化、上下級系統(tǒng)與上下級工序的優(yōu)化協(xié)調、能量流網絡化、物料智能跟蹤與質量跟蹤等功能；通過該系統(tǒng)的開發(fā)，培養(yǎng)適用于下一代無線網絡和物聯(lián)網鋼鐵生產過程控制系統(tǒng)的開發(fā)、維護和二次開發(fā)的優(yōu)秀人才。

    總的說來，現代鋼鐵流程發(fā)展將以提高能源利用效率，實現鋼鐵工業(yè)的綠色發(fā)展為目標；以技術創(chuàng)新（以技術提升經濟），循環(huán)經濟（縱向：延伸產業(yè)鏈，橫向：行業(yè)融合和地企融合－發(fā)揮冶金行業(yè)的綜合性工業(yè)優(yōu)勢）和以同樣的能耗產生更大效益為導向；應用鋼鐵流程的三個功能+界面技術、能源流物質流的協(xié)同優(yōu)化、全流程仿真技術+工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網（企業(yè)CPS）。

    干勇認為，今后要以更開放的視野研究鋼鐵流程，實現綠色發(fā)展。

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