中國鋼鐵企業(yè)制造流程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鋼鐵仍然是經(jīng)濟(jì)和商業(yè)的基本材料，也可以說是“必要的材料”。從制造工藝上看,鋼鐵工業(yè)屬于流程制造業(yè)。對于鋼鐵工業(yè)而言,生產(chǎn)流程對生產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品品種、資源消耗、投資效益等技術(shù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)群具有綜合影響力,而且也直接影響過程排放、環(huán)境生態(tài)和資源/能源可供性等可持續(xù)發(fā)展因素。面臨21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢,全球鋼鐵工業(yè)的根本性命題是市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展。這就要求全球鋼鐵工業(yè)都要從總體戰(zhàn)略上來觀察問題、解決問題,而不是把上述重大命題簡單地割裂成為產(chǎn)量、規(guī)模、質(zhì)量、品種等孤立問題,“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”地解決,甚至引起顧此失彼的矛盾;時至今日,應(yīng)該從根本上考慮問題,追求從戰(zhàn)略整體上來解決時代性的命題。1金礦流程工程所謂過程可視為事物在給定的外界條件下從始態(tài)到終態(tài)的變化。這種始態(tài)到終態(tài)的變化包括了不同層次、不同尺度、不同結(jié)構(gòu)上的變化。過程與流程的區(qū)別在于:過程是不同層次、不同尺度、不同結(jié)構(gòu)條件下,事物在給定外界條件下從始態(tài)到終態(tài)變化的泛稱;而制造流程(也可稱為“生產(chǎn)流程”,或簡稱為“流程”)則往往特指在工業(yè)生產(chǎn)條件下由不同工序和不同裝備所組成的制造過程的整體集成系統(tǒng)。鋼鐵生產(chǎn)流程是一種工廠層級上的制造過程,這類過程的時-空尺度比單元操作、單元工序?qū)哟紊线^程的時-空尺度要大得多。鋼鐵生產(chǎn)流程具有多工序串聯(lián)、集成運(yùn)行,輸入/輸出的資源/能源密集,生產(chǎn)過程伴隨大量的物質(zhì)/能量排放和資金密集等特點(diǎn)?？梢?生產(chǎn)流程的整體優(yōu)化對于鋼鐵企業(yè)的生存、發(fā)展諸多方面具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度和廣泛的滲透性?？梢哉f制造(生產(chǎn))流程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是鋼鐵企業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、效率提高、社會經(jīng)濟(jì)功能拓展的有效切入點(diǎn)(圖1、圖2)。從科學(xué)技術(shù)角度上看,冶金-材料學(xué)科是一門由基礎(chǔ)科學(xué)——解決原子-分子尺度上的問題;發(fā)展到技術(shù)科學(xué)——解決工序、裝置、場域尺度上的問題(表1)?？磥?這些知識對于鋼鐵生產(chǎn)由技藝變?yōu)榭茖W(xué)具有劃時代的意義,但對于新世紀(jì)里鋼廠的生存和發(fā)展而言還不夠,還要在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步整合集成研究鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的生產(chǎn)流程尺度上的知識,解決市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展問題,這就是工程科學(xué)方面的學(xué)問——冶金流程工程學(xué)。冶金流程工程學(xué)作為工程科學(xué)層次上的知識,它追求的目標(biāo)是通過生產(chǎn)流程的整體優(yōu)化來解決整個工廠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能優(yōu)化和效率優(yōu)化。進(jìn)而在更大尺度上解決鋼廠的結(jié)構(gòu)與模式、投資戰(zhàn)略、市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益;解決鋼廠面臨的環(huán)境問題和生態(tài)協(xié)調(diào)性問題。什么是流程?流程運(yùn)行過程有3個要素:即“流”,“流程網(wǎng)絡(luò)”,“程序”(圖3)。具體在鋼鐵冶金制造(生產(chǎn))流程中這些要素的涵義是:(1)“流”:是泛指在開放的流程系統(tǒng)中運(yùn)行著的各種形式“資源”(或“事件”);對冶金流程而言,“流”是一類多因子(多維)“流”?！傲鳌钡亩嘁蜃有园嘶瘜W(xué)組分因子、物理相態(tài)因子、幾何形狀因子、表面性狀因子、溫度(能量)因子和時間、時序因子。這種多因子“流”在生產(chǎn)工藝流程中表現(xiàn)為運(yùn)行、調(diào)控過程中的“多維”性?！岸嗑S”性體現(xiàn)在流程運(yùn)行過程中物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)控制和與之相關(guān)的物質(zhì)流管制過程的“物質(zhì)流”-“能量流”-“信息流”復(fù)合成制造(生產(chǎn))流程中的物質(zhì)流中。從調(diào)控角度上看,則體現(xiàn)為對制造(生產(chǎn))流程運(yùn)行調(diào)控過程中基本參數(shù)(物質(zhì)量、溫度、時間)-派生參數(shù)(產(chǎn)量、質(zhì)量、成本等)的“多維”性上。(2)“流程網(wǎng)絡(luò)”:“流程網(wǎng)絡(luò)”是為了適應(yīng)將開放系統(tǒng)中的“資源流”、“結(jié)點(diǎn)”和“連結(jié)器”整合在一起的物質(zhì)-能量-時間-空間結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)要求有靜態(tài)的合理性特別是體現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)(例如結(jié)點(diǎn)數(shù)、連結(jié)方式、總平面布置等),更重要的是要求在動態(tài)運(yùn)行過程中體現(xiàn)出動態(tài)有序性、可連續(xù)性和緊湊性。此處所謂的“資源流”包括了輸入的原料流、能源流等,也包括了運(yùn)行過程中的物質(zhì)流、能量流以及相應(yīng)的信息流,還有輸出的產(chǎn)品流、副產(chǎn)品流和各類排放流等。所謂的“結(jié)點(diǎn)”則是包括了在流程網(wǎng)絡(luò)中的各類功能不同的工序、裝置,例如高爐、轉(zhuǎn)爐等。而“連結(jié)器”則是指結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)的連結(jié)手段、方式、裝備等,例如管道、輥道、鐵路、吊車、各類車輛、鋼水包、鐵水包等。因此,也可以將“流程網(wǎng)絡(luò)”看成是由“結(jié)點(diǎn)”、“連結(jié)器”來優(yōu)化配置“資源流”運(yùn)行的時-空邊界。(3)“程序”:簡而言之,“程序”可以看成是各種形式的“序”和規(guī)則、策略、途徑的集合?！靶颉卑藷o序和有序,也包括了對某一因子的次第排列。有序的形式又包括了功能序、空間序、時間序以及時空序等。而“規(guī)則”則來自不同的要求,不同外部條件以及流程自身的整體功能,例如運(yùn)行連續(xù)化、緊湊化等,就是規(guī)則的主要體現(xiàn)?！靶颉焙汀耙?guī)則”、“策略”等的結(jié)合就反映出制造流程中多維物質(zhì)流的總體調(diào)控策略和具體運(yùn)行途徑。因此鋼鐵生產(chǎn)流程的物理本質(zhì)是一種多因子(多維)“流”,在一個由不同性質(zhì)的工序(結(jié)點(diǎn))及工序(結(jié)點(diǎn))之間連結(jié)器(例如鐵路、輥道、管道、鋼水包、鐵水罐、吊車等)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(流程網(wǎng)絡(luò)框架)中,按一定的“程序”,動態(tài)有序地通過,同時實(shí)現(xiàn)某些目標(biāo)群。從某種意義上講,也是過程的復(fù)雜性和時間這兩個因素在流程系統(tǒng)中演化的不可逆過程。鋼鐵生產(chǎn)流程追求的是一種動態(tài)有序的、連續(xù)的、緊湊的運(yùn)行方式。也就是物質(zhì)流在能量流的驅(qū)動下、在信息流的控制下,追求過程耗散最小化,即生產(chǎn)流程過程物質(zhì)流耗散最小化、能量流耗散最小化,過程時間最小化和過程所占空間最小化。進(jìn)而促進(jìn)各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)多目標(biāo)優(yōu)化和使鋼廠順利地融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會。鋼鐵工業(yè)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程,實(shí)際是工序裝置功能優(yōu)化的進(jìn)化過程;工序裝置之間相互關(guān)系的演化過程以及由此引發(fā)的流程內(nèi)工序、裝置集合的重新構(gòu)筑過程。這是鋼鐵企業(yè)在日常生產(chǎn)運(yùn)行、技術(shù)改造、投資建設(shè)過程中應(yīng)該認(rèn)真研究、全面思考的工程科學(xué)層面上的問題。也是在新世紀(jì)里鋼鐵工業(yè)應(yīng)該認(rèn)真思考的實(shí)際問題,也是在新世紀(jì)里鋼鐵工業(yè)應(yīng)該認(rèn)真思考的實(shí)際問題。2增長的拉動中國鋼鐵工業(yè)十幾年來取得了持續(xù)高速增長的突出成績。當(dāng)然,國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長的拉動是根本原因。從中國鋼鐵工業(yè)內(nèi)部看,鋼鐵生產(chǎn)持續(xù)高速增長的主要原因之一是通過6項(xiàng)關(guān)鍵-共性技術(shù)的突破、優(yōu)化和集成,逐步形成了比較優(yōu)化的制造工藝流程,并帶動了產(chǎn)品、工藝、裝備和管理結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使企業(yè)競爭能力大大提高。2.1連鑄技術(shù)對流程升級的作用流程優(yōu)化從技術(shù)、投資上看,不可能是所有各工序、裝置不分先后平行推進(jìn)的,因?yàn)樵谝粋€時期內(nèi)財力、物力、人力是有限的。必然要從流程中帶有“技術(shù)瓶頸”性的工序率先突破,其它工序協(xié)調(diào)跟進(jìn),才能在新的水平上建立起新的流程結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代以來的實(shí)踐表明,連鑄工序的發(fā)展和完善確是現(xiàn)代鋼鐵制造流程優(yōu)化過程中最重要的突破點(diǎn)。首先,連鑄的發(fā)展加快了淘汰高能耗、高物耗、慢節(jié)奏、低效率、低質(zhì)量的平爐-模鑄-初軋/開坯等落后工藝裝備的步伐,使整個鋼鐵生產(chǎn)流程變得高效、低耗、優(yōu)質(zhì),并向前帶動了流程上游高爐大型化,向后促進(jìn)了流程下游連軋生產(chǎn)的發(fā)展,成為我國鋼鐵工業(yè)高速增長的主要技術(shù)動力。第二,連鑄生產(chǎn)的發(fā)展和完善,使轉(zhuǎn)爐、超高功率電爐的生產(chǎn)效率成倍提高,并迅速推進(jìn)了相應(yīng)的二次冶金技術(shù)、鐵水預(yù)處理技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)(圖4)、凝固技術(shù)、優(yōu)質(zhì)耐材技術(shù)、保護(hù)渣技術(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用,也促進(jìn)了煉鋼爐、精煉爐終點(diǎn)控制技術(shù)和連鑄坯熱送、熱裝等技術(shù)的開發(fā)和研究。第三,一批優(yōu)質(zhì)鋼種通過連鑄工藝(如IF鋼、冷軋硅鋼、高檔齒輪鋼、石油管線鋼、不銹鋼等)穩(wěn)定生產(chǎn),成為保證質(zhì)量、提高成材率、降低消耗與成本和提高生產(chǎn)效率的最重要手段。第四,連鑄向高效、近終形方向的優(yōu)化發(fā)展,形成了薄板坯連鑄-連軋和薄帶連鑄等緊湊型流程。這種新型流程的生產(chǎn)連續(xù)化程度高,大大降低了產(chǎn)品成本、提高了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率與勞動生產(chǎn)率。若能進(jìn)一步做到煉鋼-連鑄-連軋之間的高溫?zé)徇B接并連續(xù)-緊湊運(yùn)行,就可以最大限度地利用凝固鑄坯的熱量,減少了因間斷而重新加熱的能源、時間消耗。毫無疑問,這種鋼鐵生產(chǎn)流程投資額也相應(yīng)低,過程耗散小,是符合可持續(xù)發(fā)展要求的流程。這一流程的進(jìn)一步優(yōu)化和高效率,還將依靠近終形連鑄的優(yōu)化與完善。另外,由于近終形連鑄快速凝固的工藝特點(diǎn)及其鑄坯獨(dú)特的熱履歷,使鑄坯與軋材性能具有新的特征(圖5),必須有效利用近終形連鑄生產(chǎn)的熱軋材強(qiáng)度大幅度提高的優(yōu)勢,并關(guān)注解決給隨后冷軋加工可能帶來的困難。從提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等角度來看,毫無疑問,無論是常規(guī)流程還是緊湊流程,連鑄工藝、裝置的發(fā)展與優(yōu)化,仍將是鋼鐵企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、流程優(yōu)化的重點(diǎn)。從以上分析可見,連鑄技術(shù)的發(fā)展對流程優(yōu)化的帶動作用是十分重要的,也關(guān)系到鋼鐵產(chǎn)品的優(yōu)化和專業(yè)化發(fā)展。十幾年來,我國鋼鐵工業(yè)因連鑄技術(shù)的迅速發(fā)展,保持了持續(xù)高速增長;2004年一季度連鑄比已達(dá)到95.99%;連鑄機(jī)的水平不斷提高,薄板坯連鑄-連軋流程已在7個企業(yè)生產(chǎn)。2004年5月中旬在包頭舉行的第二次薄板坯連鑄-連軋工程技術(shù)研討會,展示了我國在這一緊湊流程領(lǐng)域中,工藝、裝備和生產(chǎn)效率、品種質(zhì)量、相關(guān)技術(shù)等方面的全新成果。2.2連鑄生產(chǎn)技術(shù)顯著優(yōu)化連鑄是20世紀(jì)90年代以來中國鋼鐵企業(yè)流程優(yōu)化進(jìn)程中第1個突破點(diǎn),其重要性前面已作了分析。但連鑄生產(chǎn)的發(fā)展必然要求其他工序的優(yōu)化并互動地發(fā)揮作用,從而形成了一系列關(guān)鍵-共性技術(shù)。結(jié)合中國鋼廠的特點(diǎn),這些共性技術(shù)主要有高爐噴吹煤粉技術(shù)、高爐高效長壽技術(shù)、棒線材連軋技術(shù)、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)和流程結(jié)構(gòu)調(diào)整的系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。連鑄技術(shù)的發(fā)展使鋼鐵生產(chǎn)流程朝連續(xù)、高效、緊湊的方向優(yōu)化,這就要求生產(chǎn)流程中各工序按此方向協(xié)同運(yùn)行。全連鑄生產(chǎn)促進(jìn)了轉(zhuǎn)爐利用系數(shù)成倍提高,特別是中、小轉(zhuǎn)爐的利用系數(shù)從1990年的26.64t/(t·d)提高到1999年的53.08t/(t·d);對焦化、煉鐵等工序也進(jìn)一步提出了新的要求。因此,相繼開發(fā)了高爐噴吹煤粉技術(shù)(圖6)、高爐高效長壽技術(shù),帶動和促進(jìn)了高爐高風(fēng)溫、精料、強(qiáng)化冶煉等各項(xiàng)技術(shù),保證了與成倍提高的煉鋼-連鑄工序的產(chǎn)能銜接和生產(chǎn)效率提高,促進(jìn)了鋼廠生產(chǎn)流程上游段的穩(wěn)定性、連續(xù)性。轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐技術(shù)不僅使連鑄生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定性大大提高,還因復(fù)吹比大幅度提高、鋼水質(zhì)量的優(yōu)化,滿足了連鑄、軋鋼生產(chǎn)的要求。棒線材連軋化對于為數(shù)眾多的長材生產(chǎn)廠而言,則是由于連鑄比不斷提高后的必然要求,更利于與連鑄生產(chǎn)銜接,促進(jìn)連鑄坯熱送熱裝和軋材質(zhì)量的提高。連鑄等先進(jìn)工藝裝備的發(fā)展和相應(yīng)淘汰模鑄、初軋、開坯、平爐、小電爐和化鐵爐等落后的工藝裝備,實(shí)際上是制造流程整體重構(gòu)性的優(yōu)化。與此同時,由于鋼鐵制造流程的調(diào)整帶來了系統(tǒng)節(jié)能和降低物耗的效果(圖7)。不難看出,上述6項(xiàng)關(guān)鍵-共性技術(shù)的有序突破、集成、互動,對中國鋼廠生產(chǎn)流程的調(diào)整起到了關(guān)鍵性的作用,有力地促進(jìn)了中國鋼鐵企業(yè)的快速發(fā)展。2.3爐-機(jī)-機(jī)的匹配和協(xié)調(diào)現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程優(yōu)化的目標(biāo)是低成本、高效率、優(yōu)質(zhì)、低耗、連續(xù)、緊湊和環(huán)境友好。煉鋼、軋鋼是實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)化目標(biāo)的兩個重要的子系統(tǒng)。在薄板坯連鑄-連軋或連鑄坯直接熱裝或直接軋制工藝流程中,煉鋼-熱軋兩個車間已經(jīng)非常緊密地結(jié)合在一起了,在物質(zhì)流、溫度、質(zhì)量、性能等方面互為要求,互相影響,共同決定生產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品質(zhì)量。因此,在鋼廠生產(chǎn)流程優(yōu)化中要特別關(guān)注煉鋼、軋鋼兩個車間的高溫?zé)徇B接和配合協(xié)調(diào)。這種熱連接應(yīng)以600℃以上(對于近終形連鑄-連軋工藝流程是在950℃以上)實(shí)現(xiàn)每分鐘物質(zhì)流量的協(xié)調(diào)配合為目標(biāo)。這將涉及煉鋼爐-連鑄機(jī)的匹配,連鑄機(jī)-熱軋機(jī)的匹配、緩沖,鑄坯輸送方式、加熱(保溫)方式、輸送途徑、輸送節(jié)奏等方面的優(yōu)化等。我國不少鋼廠在爐-機(jī)匹配、機(jī)-機(jī)匹配等方面還有很多問題有待解決?？偟目磥?應(yīng)該區(qū)分板材生產(chǎn)流程、長材生產(chǎn)流程、無縫管生產(chǎn)流程來配置合理的工序和裝備;然后,努力做好上、下游工序容量性功能和強(qiáng)度性功能的對應(yīng)匹配并選擇合理的“緩沖”、“協(xié)調(diào)”方法,這就是所謂“界面技術(shù)”的優(yōu)化與選擇。為了盡可能地實(shí)現(xiàn)上、下游工序間的物質(zhì)流能在600℃以上(甚至950℃以上)做到分鐘級的流量平衡,應(yīng)確立如下原則:(1)使間歇運(yùn)行、準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行的各類工序(裝置)融合到連續(xù)運(yùn)行工序(裝置)的運(yùn)行節(jié)奏和行程中去。例如,實(shí)現(xiàn)連鑄多爐連澆運(yùn)行,就是使間歇運(yùn)行的轉(zhuǎn)爐(電爐)、二次冶金裝置融合到連鑄的連續(xù)運(yùn)行節(jié)奏和行程中。(2)使間歇運(yùn)行、準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)運(yùn)行的各類工序(裝置)集成為一個準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)。例如在設(shè)計半無頭軋制節(jié)奏時,就是將加熱爐間歇出坯通過鑄坯或中間軋件焊接等工藝手段,使超長尺軋件在熱連軋機(jī)中實(shí)現(xiàn)較長時間的準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行。(3)在整體生產(chǎn)流程中或是區(qū)段(車間、分廠)流程中,確立間歇運(yùn)行的工序(裝置)服從準(zhǔn)連續(xù)和連續(xù)運(yùn)行的工