第6章冶金制造流程中的多因子物质流控制

1、冶金制造流程中的多因子物质流控制冶金制造流程中的多因子物质流控制孙健孙健 1提纲提纲v多因子物质流控制的某些理论基础多因子物质流控制的某些理论基础问题问题v钢铁制造流程的多因子物质流控制钢铁制造流程的多因子物质流控制v动态动态-有序流程结构与信息流有序流程结构与信息流2制造流程的概念与运行要素制造流程的概念与运行要素流程网络流程网络 为适应在开放的流程系统中将为适应在开放的流程系统中将“资源流资源流”、“结点结点”和和“连结器连结器”整合在一起的物质整合在一起的物质-能量能量-时间时间-空间结构。空间结构。 要求有静态的合理性，特别是体现在空间结构（例如总要求有静态的合理性，特别是体现在空间结

2、构（例如总平面布置等），更重要的是要能适应平面布置等），更重要的是要能适应“资源流资源流”在动态运在动态运行过程中可以体现出动态有序性、可连续性、紧凑性。行过程中可以体现出动态有序性、可连续性、紧凑性。 “资源流资源流”包括了输入的原料流、能源流等，也包括了包括了输入的原料流、能源流等，也包括了运行过程中的物质流、能量流以及相应的信息流，还有输运行过程中的物质流、能量流以及相应的信息流，还有输出的产品流、副产品流和各类排放流等。出的产品流、副产品流和各类排放流等。3钢铁冶金过程理论与工程实践的发展过程钢铁冶金过程理论与工程实践的发展过程节点与连结器节点与连结器 节点节点指在流程网络中的各类功能

3、不同的工序、装指在流程网络中的各类功能不同的工序、装置，例如高炉、转炉等。而置，例如高炉、转炉等。而“连结器连结器”则是指结点则是指结点与结点的连结的手段、方式、装备等，例如管道、与结点的连结的手段、方式、装备等，例如管道、辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水罐等辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水罐等。因此，也可以将。因此，也可以将“流程网络流程网络”看成是看成是“结点结点”、“连结器连结器”的优化配置及其组成的时的优化配置及其组成的时-空边界。空边界。4制造流程的概念与运行要素制造流程的概念与运行要素流流 泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式的泛指在开放的流程系统中运行着的各种形

4、式的“资源资源”。对冶金流。对冶金流程而言，程而言，“流流”是一类多因子（多维）是一类多因子（多维）“流流”。v物理性质上的多维性：化学组分，物理相态，几何形状，表面性质物理性质上的多维性：化学组分，物理相态，几何形状，表面性质，温度，时间等；，温度，时间等；v多因子多因子“流流”在生产工艺流程中表现为运行、调控过程中的在生产工艺流程中表现为运行、调控过程中的“多维多维”性。性。“多维多维”性体现在流程运行过程中物质状态转变、物质性质性体现在流程运行过程中物质状态转变、物质性质控制和与之相关的物质流管制过程的控制和与之相关的物质流管制过程的“物质流物质流”-“能量流能量流”-“信信息流息流”复

5、合在制造流程中的物质流中。复合在制造流程中的物质流中。a)从调控角度上看，则体现为对制造流程运行调控过程中基本参数（从调控角度上看，则体现为对制造流程运行调控过程中基本参数（物质量、温度、时间）物质量、温度、时间）-派生参数（产量、质量、成本等）的派生参数（产量、质量、成本等）的“多多维维”性上。性上。6制造流程的概念与运行要素制造流程的概念与运行要素程序程序 可以看成是各种形式的可以看成是各种形式的“序序”和规则、策略、途径和规则、策略、途径的集合。的集合。“序序”包括了无序和有序，也包括了对某一因包括了无序和有序，也包括了对某一因子的次第排列。有序的形式又包括了功能序、空间序、子的次第排列

6、。有序的形式又包括了功能序、空间序、时间序以及时空序等。而时间序以及时空序等。而“规则规则”则来自不同的要求、则来自不同的要求、不同外部条件以及流程自身的整体功能，例如运行连续不同外部条件以及流程自身的整体功能，例如运行连续化、紧凑化等，就是规则的主要体现。化、紧凑化等，就是规则的主要体现。“序序”和和“规则规则”的结合就反映出对制造流程中多维物质流的总体调控的结合就反映出对制造流程中多维物质流的总体调控策略和具体运行途径。策略和具体运行途径。7制造流程的概念与运行要素制造流程的概念与运行要素原料流原料流能源流能源流产品流产品流信息流信息流副产品流副产品流排放流排放流 ：结点：结点 ：连结器（

7、道路、管道、辊道、吊车、铁水罐、钢水包等）：连结器（道路、管道、辊道、吊车、铁水罐、钢水包等） ：多维物质流（流程运行中的）：多维物质流（流程运行中的）图图6-6-1 1 制造流程的概念与要素示意图制造流程的概念与要素示意图5制造流程的概念与运行要素制造流程的概念与运行要素信息流信息流动态有序运行的前提条件动态有序运行的前提条件 系统必须是开放系统，流程系统处在远离平系统必须是开放系统，流程系统处在远离平衡状态，是不可逆过程。衡状态，是不可逆过程。8流程的动态有序运行流程的动态有序运行动态动态-有序运行过程的有序运行过程的“动力源动力源”p组元运行的组元运行的“涨落涨落”行为。行为。p组元之间

8、相互作用的非线性耦合。组元之间相互作用的非线性耦合。p组元处在远离平衡状态。组元处在远离平衡状态。流程运行过程中自组织功能的产生和形式流程运行过程中自组织功能的产生和形式 钢铁制造流程是一种耗散过程，在具有耗钢铁制造流程是一种耗散过程，在具有耗散结构的流程运行过程中，耗散流程系统有散结构的流程运行过程中，耗散流程系统有序状态的自我形成和自我完善形象地称为序状态的自我形成和自我完善形象地称为自自组织组织。 自组织现象丰富多彩，具有多种形式，自组织现象丰富多彩，具有多种形式，主要有主要有自创生自创生、自复制自复制、自生长自生长、自适应自适应几几种形式。种形式。9多因子物质流控制研究目标、内容和多因

9、子物质流控制研究目标、内容和方法方法10 研究钢厂生产流程进入动态研究钢厂生产流程进入动态-有序运行的特征、状态和外界条件，通过耗散有序运行的特征、状态和外界条件，通过耗散结构研究流程中自身存在的结构研究流程中自身存在的“自组织自组织”功能和研究流程运行中的序参量。进一功能和研究流程运行中的序参量。进一步目的是为了提高企业的市场综合竞争力；促进可持续发展，适应循环经济社步目的是为了提高企业的市场综合竞争力；促进可持续发展，适应循环经济社会。会。研究目标研究目标多因子物质流控制研究目标、内容和多因子物质流控制研究目标、内容和方法方法11l制造流程的结构和行为；制造流程的结构和行为；l流程中相邻、

10、相关层次的作用关系；流程中相邻、相关层次的作用关系；l流程中各组元的功能、结构和效率；流程中各组元的功能、结构和效率；l流程中各组元之间的相互作用关系。流程中各组元之间的相互作用关系。研究内容研究内容l流程中各组元运行过程中的涨落现象及其概率；流程中各组元运行过程中的涨落现象及其概率；l流程中各组元运行过程中的相互作用的非线性关系；流程中各组元运行过程中的相互作用的非线性关系；l流程运行流程运行耗散过程中自身存在的耗散过程中自身存在的“自组织自组织”功能；功能；l流程运行过程的序参量及其对新功能的流程运行过程的序参量及其对新功能的“涌现涌现”贡献；贡献；l外界条件对流程结构与流程运行状态的影响

11、极其相互适用性等。外界条件对流程结构与流程运行状态的影响极其相互适用性等。研究方法研究方法钢铁制造流程的多因子物质流控制钢铁制造流程的多因子物质流控制从工程科学角度讲，钢铁制造流程的特征是物质状态转变、从工程科学角度讲，钢铁制造流程的特征是物质状态转变、物质性质控制、物质流控制在流程过程中的协调物质性质控制、物质流控制在流程过程中的协调-优化。优化。12钢铁制造流程的过程特征钢铁制造流程的过程特征13钢铁制造流程运行的概念钢铁制造流程运行的概念 钢铁制造流程是准连续钢铁制造流程是准连续/间歇流程系统，间歇流程系统，流体为流体为连续介质系统。从工程方法论的角度连续介质系统。从工程方法论的角度上看

12、，两者都是一种外界上看，两者都是一种外界“刺激刺激”-内在内在“响响应应”的本质。的本质。14抽象抽象-类比类比“刺激刺激”-“响应响应” 钢厂生产流程可以用钢厂生产流程可以用类比类比的方法的方法抽象抽象为为“粘性粘性”制造流程系统。制造流程系统。钢铁制造流程运行的概念钢铁制造流程运行的概念 对连续介质系统而言，连续介质内的任对连续介质系统而言，连续介质内的任何微元体对外界何微元体对外界“刺激刺激”具有一致甚至同时具有一致甚至同时的内在的内在“响应响应”；对流程方式的系统而言，；对流程方式的系统而言，其诸多组元其诸多组元(工序、装置等工序、装置等)对外界对外界“刺激刺激”因素（如市场、投资、资

13、源、能源、价格等因素（如市场、投资、资源、能源、价格等变化）具有不均匀变化）具有不均匀(甚至不同取向甚至不同取向)的或不同的或不同滞后度的内在滞后度的内在“响应响应”。15抽象抽象-类比类比“刺激刺激”-“响应响应”式中，式中，流程系统的流程系统的“粘性耗散值粘性耗散值”； m机械机械性性的的“粘性耗散值粘性耗散值”；P人为性人为性的的“粘性耗散粘性耗散值值”。mPf （,）16钢铁制造流程运行的概念钢铁制造流程运行的概念式中，式中，S S钢厂结构钢厂结构；E组元工序的集合；组元工序的集合； R R工序之间关系的集合。工序之间关系的集合。(S)(,)ffER “粘性系统粘性系统”和和“不同滞后

14、度不同滞后度”17稳定谐振状态稳定谐振状态可以分为设定的一般状态、可以分为设定的一般状态、“柔性柔性”正常调控状态、正常调控状态、“柔性柔性”极限调控极限调控状态。状态。准连续准连续/间歇制造流程的运行方式间歇制造流程的运行方式图图6-4 电炉流程运行的电炉流程运行的“弹性链弹性链/半弹性链半弹性链”稳定谐振状态及其不同类型稳定谐振状态及其不同类型A-A设定的一般状态设定的一般状态 A(+)-A(-)正常柔性调控范围正常柔性调控范围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“弹性链弹性链”/

15、“半弹性链半弹性链”谐振谐振18 谐振失衡状态谐振失衡状态是指流程整体运行过程中，由于受外界影响或是自是指流程整体运行过程中，由于受外界影响或是自身处置不当，使得身处置不当，使得“刚性组元刚性组元”超过其超过其“弹性弹性”值、值、“柔性组元柔性组元”超过其超过其“极限极限”值，或是组元工序之间的关系不能互相连续适应值，或是组元工序之间的关系不能互相连续适应“自组织自组织”失控，从而导致整个流程系统失衡而丧失失控，从而导致整个流程系统失衡而丧失“弹性链弹性链”谐谐振运行方式。振运行方式。“弹性链弹性链”/“半弹性链半弹性链”谐振谐振19流程内的工程效应流程内的工程效应图图6-5 钢铁制造流程的演

16、进与钢铁制造流程的演进与“临界临界-紧凑紧凑-准连续准连续/连续连续”效应效应20在不同外界在不同外界“刺激刺激”因素作用下，做出因素作用下，做出“响应响应”的类型有：的类型有：“反射反射”类响应，类响应，“吸收吸收”类响应，类响应，“传导传导”类响应，类响应，“转换转换”类响应类响应外界外界“刺激刺激”-流程系统流程系统“响应响应”的分析的分析外界外界“刺激刺激”因素的变化：因素的变化：n市场总容量和产品品种需求的变化；市场总容量和产品品种需求的变化；n市场引起的国际竞争市场引起的国际竞争n资源、能源的供应和运输、价格的变化资源、能源的供应和运输、价格的变化n资金市场的状况资金市场的状况n科

17、学技术进步与社会经济发展的状况科学技术进步与社会经济发展的状况n人员的组织及工资成本的变化人员的组织及工资成本的变化n环境、生态的要求和可持续发展环境、生态的要求和可持续发展21动态动态-有序流程结构与信息流有序流程结构与信息流式中，式中，F流程系统的流程系统的所有功能集变量所有功能集变量； r为功能集变量间存在关系的有向为功能集变量间存在关系的有向边边，可表示，可表示关系的时序性，也可表示关系的作用方向关系的时序性，也可表示关系的作用方向。DFr， 通过流程系统的组成工序及其相互作用关系来对流程进行划分和再组合，可通过流程系统的组成工序及其相互作用关系来对流程进行划分和再组合，可用有关有向图的概念，确定划分和再组合原则。用有关有向图的概念，确定划分和再组合原则。钢铁制造流程的划分和尺度钢铁制造流程的划分和尺度-层次耦合层次耦合 22动态动态-有序流程结构与信息流有序流程结构与信息流多尺度、多层次与自组织多尺度、多层次与自组织流程的划分、组合与控制流程的划分、组合与控制动态动态-有序流程结构与信息流有序流