基于冶金流程学“程序”的钢铁制造运行管控技术
王永周
1
，郑忠
1
，张诗雨
1
，高小强
2
(1. 重庆大学材料科学与工程学院， 重庆 400044；2. 重庆大学经济与工商管理学院， 重庆 400044)
智能钢厂是实现绿色低碳钢铁制造目标和钢铁工业高质量发展的必然路径。冶金流程工程学的提出和发展，已成为指导钢铁业高质量可持续发展的重要理论基石。为了达成智能钢厂低碳高效的生产目标，实现资源/能源的优化配置，从冶金流程工程学提出的钢铁制造流程动态运行物理本质出发，开展制造流程“运行程序”相应的智能管控技术研发，力求通过生产计划调度技术实现对炼钢-连铸-热轧等制造流程的“运行程序”控制，以适应市场需求下订单驱动的钢铁制造模式，这是促使生产过程有序、高效低成本运行的调控手段，即生产计划调度指令决定了钢铁企业设备利用率、生产效率和能源利用效率。讨论了以生产计划调度为核心的钢铁制造流程的运行管控技术，并给出了实践案例，针对中厚板组板及板坯一体化设计问题，实现了生产订单的组合优化，有效提升了系统成材率，为规模化钢铁生产满足个性化多品种小批量市场需求创造了条件；一体化生产批量计划相比于分工序编制生产批量计划能够降低余材率1.27%，提升炼钢-连铸-热轧区段物质流运行管控效果；基于炼钢厂生产调度和动态调度的物质流运行优化，可以缩短生产流程总时间10%，降低转炉工序用氧波动49.32%，改善了物质流和能量流的协同运行效果。因此，通过生产计划调度的“运行程序”控制技术，引导制造流程系统朝着动态-有序、协同-连续的运行状态发展，进而有利于实现钢铁生产的高效低成本优化运行。
冶金流程工程学； 钢铁制造； 生产运行管控； 计划调度； 技术实践
智能钢厂建设是非常必要和紧迫的。自2021年下半年以来，国家出台了多项关于钢铁低碳绿色发展的文件，2022年2月还颁布了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，这些文件成为促进钢铁工业高质量发展的纲领，绿色低碳的目标与智能化系统建设成为智能钢厂建设的重要抓手。近些年来，钢铁行业非常关注钢铁智能制造技术发展，从2015年以来，很多钢铁企业纷纷开启示范项目建设，包括宝钢“钢铁热轧智能车间试点示范项目”、河钢“钢铁企业智能工厂试点示范项目”等，钢铁智能制造是传统流程制造行业转型升级以及钢铁低碳绿色发展的特别重要且可行的途径之一。
钢铁制造是复杂且具代表性的一类流程工业，制造流程由异质异构的工序装置/设备所构成，各工序装置/设备的功能不同；钢铁产品的制造过程是铁素物质流沿流程方向将原燃料经由化学冶金和物理冶金变成产品，各工序的冶金过程分别以连续、间歇、准连续等不同方式运行。冶金过程之间存在着非线性的相互作用，是一个动态耦合过程。整个钢铁制造流程处于高温动态运行状态，能量流是钢铁制造的重要驱动力，能量流是以不同能源介质为对象形成的各自独立运行的网络系统。
在钢铁制造流程每一个环节的制造过程中，实质上都是从一个初态到一个终态的物质和能量的转变过程，因此整个制造流程最终构成了一个能量耗散的结构。钢铁制造流程的本质是开放的、非平衡的、不可逆的开放系统，特别是长流程钢铁企业，是一个高物耗、高能耗的系统。智能钢厂以低碳高效生产为目标，控制生产/能源衔接匹配，实现资源/能源优化配置和高效利用，其生产/能源管控的难点包括强非线性、多变量耦合、大时滞性和强不确定性等。为了实现智能钢厂的目标，迫切需要发展生产与能源的智能管控技术。
论文通过对冶金流程工程学的学习，将钢铁制造流程物理本质的“流、“流程网络”和“运行程序”的概念和方法运用指导智能钢厂运行管控的计划调度技术探索与实践，重点讨论了面向合同订单组合优化的组板及板坯设计计划编制、炼钢-连铸-热轧生产批量计划编制、钢厂生产调度计划及动态调度等计划调度技术，并给出了相应的工程实践案例。研究结果体现出不同“程序”优化对计划调度领域资源优化配置的效果。具体结论为：
1)计划调度技术是钢铁企业运行优化的重要抓手。智能钢厂建设需要从钢铁制造流程动态运行物理本质的三要素(流、流程网络、运行程序)入手，关注“程序”优化的生产/能源计划调度方法及数据驱动的智能模型方法技术。布局合理的钢铁制造流程网络是“三流一态”动态运行的基础，建立智能钢厂的计划调度模型并形成运行程序的生产操作指令来调控“流”在“流程网络”中的运行状态，可实现对生产过程运行设备、资源/能源的管控优化。
2)生产/能源计划调度是钢铁制造流程中物质流-能量流运行的“程序”，即调控主体。以计划调度为核心的钢铁制造流程的运行调控技术包括中厚板组板及板坯设计、一体化生产批量计划编制、转炉炼钢厂排程及动态调度。中厚板组板及板坯设计可提高成材率；一体化生产批量计划编制相比于分工序批量计划编制方法能够降低余材率1.27%，对炼钢-连铸-热轧区段物质流运行管控效果最好；基于生产调度的物质流运行优化，可以缩短10%的生产流程总时间，降低转炉工序用氧波动49.32%，提高钢铁制造流程的整体运行效率。
来源：《钢铁》2023年第11期 “冶金流程工程学”专刊
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