第8章 钢厂生产流程中的运行动力学

1、钢厂生产流程中的运行动力学钢厂生产流程中的运行动力学孙健孙健1提纲提纲v 关于钢厂运行动力学关于钢厂运行动力学v 钢厂生产流程运行动力学特征作业表现钢厂生产流程运行动力学特征作业表现形式与本质形式与本质v 钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式式v 钢厂生产流程运行策略钢厂生产流程运行策略v 钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术”v 钢厂结构对其生产流程运行动力学的影响钢厂结构对其生产流程运行动力学的影响2关于钢厂运行动力学关于钢厂运行动力学v在考察宏观过程运行动力学时，要注意防止过份在考察宏观过程运行动力学时，要注意防止过份陷入微观过程、中观过程

2、的某些细节中，而必须把陷入微观过程、中观过程的某些细节中，而必须把握钢厂整体生产流程层面上的连续性、紧凑性和协握钢厂整体生产流程层面上的连续性、紧凑性和协调性，把握住工序调性，把握住工序/装置之间在功能装置之间在功能-结构上的耦合结构上的耦合和效率。和效率。v在考察不同尺度、不同层次的动力学过程中，一在考察不同尺度、不同层次的动力学过程中，一定不要忽视相应的物质定不要忽视相应的物质/能量尺度和时能量尺度和时-空尺度的重空尺度的重要性。要性。3关于钢厂运行动力学关于钢厂运行动力学 钢厂生产流程是复杂流程过程，可以说是典型的多尺度、长钢厂生产流程是复杂流程过程，可以说是典型的多尺度、长过程的复杂系

3、统，钢厂生产过程运行动力学主要研究、考察以下过程的复杂系统，钢厂生产过程运行动力学主要研究、考察以下方面的事实：方面的事实：v 作业表现形式及其内涵本质；作业表现形式及其内涵本质；v 生产流程的运行动力学特征；生产流程的运行动力学特征；v 生产流程中不同工序和装置的运行方式与节律；生产流程中不同工序和装置的运行方式与节律；v 生产流程中不同工序和装置所发生的生产流程中不同工序和装置所发生的“推力推力”-“拉力拉力”关关系及其匹配、缓冲、协调能力；系及其匹配、缓冲、协调能力；v 生产流程系统中主要工序之间生产流程系统中主要工序之间“界面技术界面技术”的演进与优化；的演进与优化；如炼铁如炼铁-炼钢

4、界面、炼钢炼钢界面、炼钢-连铸界面、连铸连铸界面、连铸-热轧界面等；热轧界面等；v 钢厂生产流程运行过程中的工程协同效应。钢厂生产流程运行过程中的工程协同效应。4钢厂生产流程运行动力学特征钢厂生产流程运行动力学特征作业表作业表现形式与本质现形式与本质 从历史过程可以看出，钢厂生产流程在逐步由间歇从历史过程可以看出，钢厂生产流程在逐步由间歇型生产向连续型生产向连续/准连续型生产过渡，工艺流程不断紧凑准连续型生产过渡，工艺流程不断紧凑化。准连续化化。准连续化/连续化、紧凑化和产品专业化将是钢厂连续化、紧凑化和产品专业化将是钢厂结构调整的主要方向。钢厂生产流程的变化导致了一结构调整的主要方向。钢厂生

5、产流程的变化导致了一代又一代钢厂模式的演进，并直接影响钢厂的产品结代又一代钢厂模式的演进，并直接影响钢厂的产品结构、合理规模、吨钢投资额和产品市场竞争力。构、合理规模、吨钢投资额和产品市场竞争力。 从钢厂生产流程的运行动力学角度上观察，生产流从钢厂生产流程的运行动力学角度上观察，生产流程中的运行特征表现为程中的运行特征表现为间歇式的串联作业形式向着流间歇式的串联作业形式向着流程准连续化程准连续化/连续化的内涵本质追求连续化的内涵本质追求。5钢厂生产流程运行动力学特征钢厂生产流程运行动力学特征作业表作业表现形式与本质现形式与本质 v 以铁矿石和煤为主要原料的钢厂生产流程是由以铁矿石和煤为主要原料

6、的钢厂生产流程是由化学冶金过程化学冶金过程 （炼铁、（炼铁、铁水预处理、炼钢、钢液的二次冶金等）铁水预处理、炼钢、钢液的二次冶金等）-凝固过程凝固过程（连铸、模铸等）（连铸、模铸等）-冶金的物理过程冶金的物理过程（各类压力加工、在线或离线热处理、表面处理等）（各类压力加工、在线或离线热处理、表面处理等）构成的复杂生产体系。构成的复杂生产体系。v 从工程本质上看，钢铁生产流程的实质从工程本质上看，钢铁生产流程的实质:v 物态转变物态转变（氧化物状态（氧化物状态-金属状态；液态金属金属状态；液态金属-固态金属；铸造组固态金属；铸造组织织-轧制（锻造）加工组织；高温组织轧制（锻造）加工组织；高温组织

7、-低温组织；平衡组织低温组织；平衡组织-非平非平衡组织等）；衡组织等）；v 物性控制物性控制（金属和熔渣的性质控制、钢水洁净度控制、钢材形状（金属和熔渣的性质控制、钢水洁净度控制、钢材形状尺寸控制、金属组织控制、成品性能控制、表面性状控制等）尺寸控制、金属组织控制、成品性能控制、表面性状控制等）;v 物流管制物流管制（制造流程的工序途径、物质与能量的传输方式、物流（制造流程的工序途径、物质与能量的传输方式、物流输送方法等）的过程结合。输送方法等）的过程结合。6钢厂生产流程运行动力学特征钢厂生产流程运行动力学特征作业表作业表现形式与本质现形式与本质 7钢厂生产流程运行动力学特征钢厂生产流程运行动

8、力学特征作业表作业表现形式与本质现形式与本质 钢厂生产流程运行动力学的特征钢厂生产流程运行动力学的特征:以若干工序或装置的间歇化作业表以若干工序或装置的间歇化作业表现形式，通过生产流程系统的整合、集成，逐步向准连续化或连续化现形式，通过生产流程系统的整合、集成，逐步向准连续化或连续化的方向发展。的方向发展。 钢铁生产流程（过程）准连续化、连续化的标志主要是：钢铁生产流程（过程）准连续化、连续化的标志主要是： 物质物质-材料流的准连续化、连续化；材料流的准连续化、连续化； 能量流的连续化，特别是通过不断优化工序功能，进而实现淘汰能量流的连续化，特别是通过不断优化工序功能，进而实现淘汰落后工序和装

9、置，再通过若干工序间落后工序和装置，再通过若干工序间“界面技术界面技术”的优化，协调好前的优化，协调好前后工序（和装置）的关系，促进温度、时间等参数的稳定和优化，实后工序（和装置）的关系，促进温度、时间等参数的稳定和优化，实现长程的高温热连结；现长程的高温热连结； 物质流、能量流在空间尺度（平面图、输送方式、途径等紧凑、物质流、能量流在空间尺度（平面图、输送方式、途径等紧凑、快捷）上的紧凑连结；快捷）上的紧凑连结； 物质流、能量流、信息流在过程时间轴上的耦合，促进准连续化、物质流、能量流、信息流在过程时间轴上的耦合，促进准连续化、连续化，在实现最佳的时间效率基础上，实现生产效率的最佳化和全连续

10、化，在实现最佳的时间效率基础上，实现生产效率的最佳化和全流程的连续化。流程的连续化。 89钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式 由于钢厂生产流程的复杂性、多工序性等特点，钢厂生由于钢厂生产流程的复杂性、多工序性等特点，钢厂生产流程的连续化，应该在整个流程内多种间歇或准连续的产流程的连续化，应该在整个流程内多种间歇或准连续的作业形式的条件下，作业形式的条件下，通过工序功能优化和工序间通过工序功能优化和工序间（短程或（短程或长程的）长程的）互相衔接和匹配关系的节律化互相衔接和匹配关系的节律化、协同化协同化、紧凑化紧凑化等手段等手段(即开发工序间的即开发工序间

11、的“界面技术界面技术”)来实现生产过程的来实现生产过程的连续化或准连续化连续化或准连续化。钢厂生产流程的连续化。钢厂生产流程的连续化/准连续化应该准连续化应该先从高炉炼铁、连续铸钢、连续轧钢等关键工序开始，逐先从高炉炼铁、连续铸钢、连续轧钢等关键工序开始，逐步在整个生产流程扩展，形成准连续化步在整个生产流程扩展，形成准连续化/连续化的流程系统。连续化的流程系统。 钢厂的连续化问题需要靠流程工程学、信息技术和管理钢厂的连续化问题需要靠流程工程学、信息技术和管理科学的结合来实现。科学的结合来实现。 10钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式 从流程工程学的角度

12、看，钢厂内各主要生产工序的运行特征从流程工程学的角度看，钢厂内各主要生产工序的运行特征为：为： 高炉：其运行本质是竖炉逆流移动床热交换高炉：其运行本质是竖炉逆流移动床热交换-还原还原-渗碳渗碳的连续化作业过程，然而其出铁方式（或是铁水罐的输出方式）的连续化作业过程，然而其出铁方式（或是铁水罐的输出方式）则是间歇式的，因此是连续化的生产运行本质和间歇出铁（或是则是间歇式的，因此是连续化的生产运行本质和间歇出铁（或是铁水罐的间歇输出方式）的作业形式。铁水罐的间歇输出方式）的作业形式。 转炉：其运行本质是快速、间歇振频式的熔池反应和升转炉：其运行本质是快速、间歇振频式的熔池反应和升温过程，其出钢方式

13、是间歇式的，因此其运行本质是快速温过程，其出钢方式是间歇式的，因此其运行本质是快速-间歇间歇重复循环式的过程。重复循环式的过程。11钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式 钢的二次冶金：其运行本质是柔性钢的二次冶金：其运行本质是柔性-间歇振频式的间歇振频式的熔池反应和控温熔池反应和控温-控时过程，其出钢方式也是柔性协调性的控时过程，其出钢方式也是柔性协调性的间歇操作（其间歇操作（其“柔性柔性”主要表现在物流量、温度、时间以主要表现在物流量、温度、时间以及由此派生的质量等参数上）。及由此派生的质量等参数上）。 连铸：其运行本质是准连续或连续的热交换连铸：其运

14、行本质是准连续或连续的热交换-凝固凝固-冷却过程，而其成品铸坯的输出作业方式冷却过程，而其成品铸坯的输出作业方式出坯方式则出坯方式则是间歇或准连续的。是间歇或准连续的。 12钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式 加热炉：其运行本质是准连续或连续加热的升温加热炉：其运行本质是准连续或连续加热的升温-控温控温-控时过程，出坯形式则是一一出坯，是间歇式作业。控时过程，出坯形式则是一一出坯，是间歇式作业。 热连轧机：其运行本质是连续化的高温塑性变形与热连轧机：其运行本质是连续化的高温塑性变形与相变过程，而其轧件的输入、输出方式却是一一轧制、一相变过程，而其轧件的

15、输入、输出方式却是一一轧制、一一出材，从具体操作上看仍有间歇式的特征，但从总体运一出材，从具体操作上看仍有间歇式的特征，但从总体运行上可以看成有节奏的准连续出材。当然，半无头轧制、行上可以看成有节奏的准连续出材。当然，半无头轧制、无头轧制将有助于促进过钢、出材的连续化程度。无头轧制将有助于促进过钢、出材的连续化程度。13钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式钢厂生产流程中不同工序和装置的运行方式 根据对上述各主要工序的运行本质和输出作业方式的分根据对上述各主要工序的运行本质和输出作业方式的分析，以及三代钢厂结构的演进过程的观察，析，以及三代钢厂结构的演进过程的观察， 可以看出可以看出: 钢厂生

16、产流程的进步，本质上是以优化各工序的间歇或钢厂生产流程的进步，本质上是以优化各工序的间歇或连续运行过程和间歇化输出作业为基础，利用一系列短程连续运行过程和间歇化输出作业为基础，利用一系列短程或长程的或长程的“柔性活套工程柔性活套工程”为手段，即不断改进前后相邻为手段，即不断改进前后相邻工序和装备之间的工序和装备之间的“界面界面”技术，逐步实现整个生产流程技术，逐步实现整个生产流程的准连续化或连续化。的准连续化或连续化。 14钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程运行策略的区段划分钢厂生产流程运行策略的区段划分 经过钢厂生产流程中不同工序和装置运行方式的特点分析，经过钢厂生产

17、流程中不同工序和装置运行方式的特点分析，进一步对整个钢厂生产流程的协同运行过程进行总体性的观进一步对整个钢厂生产流程的协同运行过程进行总体性的观察、研究，可以看出察、研究，可以看出:v 不同工序、装置运行过程的本质和实际作业方式是有不同工序、装置运行过程的本质和实际作业方式是有所不同的。所不同的。v 不同工序、装置在整体协同运行过程中扮演着宏观运不同工序、装置在整体协同运行过程中扮演着宏观运行动力学中的不同角色。行动力学中的不同角色。15钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程运行策略的区段划分钢厂生产流程运行策略的区段划分 从生产物质流的过程时间运行观点来看，为了时钟推进计

18、划的顺利、从生产物质流的过程时间运行观点来看，为了时钟推进计划的顺利、协调、连续执行，钢厂生产流程中不同工序和装备在运行过程中分别协调、连续执行，钢厂生产流程中不同工序和装备在运行过程中分别承担着承担着“推力推力”、“缓冲缓冲”、“拉力拉力”等不同角色。等不同角色。 一般可以将整个钢厂的生产流程分解为两段：即一般可以将整个钢厂的生产流程分解为两段：即上游段是从炼铁开上游段是从炼铁开始到连铸；下游段是从连铸出钢坯开始到热轧过程终了始到连铸；下游段是从连铸出钢坯开始到热轧过程终了。上游段上游段主要主要是是化学冶金过程化学冶金过程和和凝固过程凝固过程，下游段下游段则是铸坯的输送、加热（保温）、则是铸

19、坯的输送、加热（保温）、热加工、形变和相变的热加工、形变和相变的物理控制过程物理控制过程。由此，可以从。由此，可以从高炉、连铸、热高炉、连铸、热轧机三个端点轧机三个端点的运行动力学特点入手，对生产流程运行动力学进行解的运行动力学特点入手，对生产流程运行动力学进行解析析-集成。集成。 16钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 17钢厂生产流程运行动力学的主要支点及其特征钢厂生产流程运行动力学的主要支点及其特征钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程上游段的钢厂生产流程上游段的“推力源推力源”与与“拉力源拉力源” 1）高炉）高炉 对于高炉工序的生产物质流而言，表现为一种不

20、愿停顿对于高炉工序的生产物质流而言，表现为一种不愿停顿的的“推力源推力源”，其物质流，其物质流“推力推力”可用下式表示：可用下式表示： =dtpushBFFBFSE1440tV.10tt式中：式中： ：高炉工序生产物质流的高炉工序生产物质流的“推力推力”，t/mint/min； V V高炉容积，高炉容积，m m3 3； 高炉利用系数，高炉利用系数，t/(d.mt/(d.m3 3) )； 高炉作业时间域，高炉作业时间域， (t(t1 1t t0 0) )，minmin； t t0 0上次出铁的时间点，上次出铁的时间点，minmin； t t1 1本次出铁的时间点，本次出铁的时间点，minmin。

21、 BFSEtBFSEtpushBFF18钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程上游段的钢厂生产流程上游段的“推力源推力源”与与“拉力源拉力源” 2）连铸）连铸 从生产过程的物质流运行来看，连铸工序的连续运行对高从生产过程的物质流运行来看，连铸工序的连续运行对高炉炉-铁水预处理铁水预处理-转炉转炉-二次冶金等装置而言，是一种物质流的二次冶金等装置而言，是一种物质流的“拉力源拉力源”。这种。这种“拉力拉力”既表现为物质流上既表现为物质流上“拉力拉力”，也，也表现为对物质流温度、质量上的表现为对物质流温度、质量上的“拉力拉力”，而且这些意义上，而且这些意义上的的“拉力拉力”还必须

22、实现在过程时间轴上的协调还必须实现在过程时间轴上的协调-耦合，即连铸耦合，即连铸工序要求其上游工序和装置能够连续不断工序要求其上游工序和装置能够连续不断“定时、定温、定定时、定温、定品质品质”地供给钢水。也可以看成是连铸工序拉动着高炉地供给钢水。也可以看成是连铸工序拉动着高炉-铁水铁水预处理预处理-转炉转炉-二次冶金等工序有节奏地准连续或高频、间歇二次冶金等工序有节奏地准连续或高频、间歇运行。因此，运行。因此，在钢厂生产流程的上游段里，连铸表现为一种在钢厂生产流程的上游段里，连铸表现为一种流程连续运行的流程连续运行的“拉力源拉力源”。 19连铸机对上游过程物质流的连铸机对上游过程物质流的“拉力

23、拉力”可以表示为可以表示为：ccSEctSdtpullccF.10tt式中式中 连铸工序对上游工序和装置的物质流的拉力，连铸工序对上游工序和装置的物质流的拉力，t/mint/min； S S连铸坯的断面面积，连铸坯的断面面积，m m2 2； 钢液的密度，钢液的密度，t/mt/m3 3； v vc c铸机拉坯速度，铸机拉坯速度，m /minm /min； 连铸作业时间域，连铸作业时间域， (t(t1 1 t t0 0 ) )，minmin； t t0 0连铸机多炉连浇浇次的开始时间点，连铸机多炉连浇浇次的开始时间点，minmin； t t1 1连铸机多炉连浇浇次的终止时间点，连铸机多炉连浇浇次的

24、终止时间点，minmin。pullccF.ccSEtccSEt钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 20其中，铸机拉速极限受到铸机冶金长度的制约，即：其中，铸机拉速极限受到铸机冶金长度的制约，即：L= L= c c 224KD式中式中 L L连铸机冶金长度，连铸机冶金长度，m m； K K凝固系数，凝固系数，mm /minmm /min1/21/2； D D铸坯厚度，铸坯厚度，mmmm； v vc c铸机拉坯速度，铸机拉坯速度，m /minm /min。钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 21钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程下游段的钢厂生产流程下游段

25、的“推力源推力源”与与“拉力源拉力源” 3）连铸：）连铸： 当连铸坯经过切断并以不同长度、不同单重、不同温度、当连铸坯经过切断并以不同长度、不同单重、不同温度、不同时间（节奏）输出时，对于随后的加热炉、热轧机而言，不同时间（节奏）输出时，对于随后的加热炉、热轧机而言，表现为一种表现为一种“推力推力”；这种；这种“推力推力”既是温度或能量意义上既是温度或能量意义上的的“推力推力”，也是物质流量意义上的，也是物质流量意义上的“推力推力”，当然也表现，当然也表现为时钟推进计划的连续性尺度上的为时钟推进计划的连续性尺度上的“推力推力”。在钢厂生产流在钢厂生产流程的下游段里，连铸又表现为一种流程连续运行

26、的程的下游段里，连铸又表现为一种流程连续运行的“推力推力源源”。 22连铸机对下游过程物质流的连铸机对下游过程物质流的“推力推力”可以表示为可以表示为： dtpushccF10ttccSEcStv式中：式中： ：连铸过程对其下游工序：连铸过程对其下游工序/ /装置的物质流装置的物质流“推力推力” t/mint/min S S：连铸坯的断面面积：连铸坯的断面面积 m m2 2 ：铸坯的比重：铸坯的比重 t/ mt/ m3 3 c c：铸机拉坯速度：铸机拉坯速度 m/minm/min : :连铸作业时间域，连铸作业时间域， (t(t1 1t t0 0) )，minmin； t t0 0：连铸机多炉

27、连浇开始出坯的时间点：连铸机多炉连浇开始出坯的时间点 minmin t t1 1：连铸机多炉连浇终止出坯的时间点：连铸机多炉连浇终止出坯的时间点 minminpushccFccSEtccSEt钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 在实际生产中，这种在实际生产中，这种“推力源推力源”的推力对于各种类型的加热炉和不同类型的热轧的推力对于各种类型的加热炉和不同类型的热轧机而言，更具体地表现为不同长度、不同单重、不同温度或热量的单个铸坯上。机而言，更具体地表现为不同长度、不同单重、不同温度或热量的单个铸坯上。23钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程下游段的钢厂生产流程下游

28、段的“推力源推力源”与与“拉力源拉力源” 4）热连轧机：）热连轧机： 运行方式是一种连续运行方式是一种连续-间歇交替出现的运行方式。因此，间歇交替出现的运行方式。因此，热连轧机希望尽可能长时间地有轧件通过，或是增加某一运热连轧机希望尽可能长时间地有轧件通过，或是增加某一运行时间段里的轧件通过量。这样，对于节能、增产乃至提高行时间段里的轧件通过量。这样，对于节能、增产乃至提高成材率等都是有利的。热连轧机要求尽量延长过钢的时间，成材率等都是有利的。热连轧机要求尽量延长过钢的时间，甚至进一步要求通过各种手段延长轧件的长度等，这说明在甚至进一步要求通过各种手段延长轧件的长度等，这说明在钢厂生产流程的下

29、游段里，钢厂生产流程的下游段里，热连轧机对其上游工序和装置热连轧机对其上游工序和装置（连铸机、钢坯库、保温坑、加热炉等）（连铸机、钢坯库、保温坑、加热炉等）而言，是过程物质而言，是过程物质流的流的“拉力源拉力源”。 24其过程物质流的其过程物质流的“拉力拉力”源可以表示为：源可以表示为：式中：式中： 热连轧工序对上游工序物质流的拉力，热连轧工序对上游工序物质流的拉力，t/mint/min； S S成品轧件的截面积，成品轧件的截面积，m m2 2； 轧材的密度，轧材的密度，t/mt/m3 3; ; v vr r最后一架热轧机的出口轧制速度，最后一架热轧机的出口轧制速度，m/sm/s； 热连轧机作

30、业时间域，热连轧机作业时间域， (t(t1 1t t0 0) )，minmin； t t0 0轧件进入热连轧机组的时间点，轧件进入热连轧机组的时间点，minmin； t t1 1轧件离开热连轧机组的时间点，轧件离开热连轧机组的时间点，minmin。pullHRFHRSEtHRSEtdtdtpullHRF10ttHRSErtS60钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 25钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂生产流程中物质流连续运行的策略钢厂生产流程中物质流连续运行的策略 从钢厂生产流程上游、下游区段运行的从钢厂生产流程上游、下游区段运行的“拉力拉力源源”、“推力源推力源”分

31、析得知：分析得知：高炉高炉在流程整体运行在流程整体运行中起着中起着“推力源推力源”的角色；的角色；连铸机则有两重性连铸机则有两重性即对上游区段扮演即对上游区段扮演“拉力源拉力源”的角色，对下游区段的角色，对下游区段则呈现则呈现“推力源推力源”的角色；而的角色；而热连轧机热连轧机组则呈现出组则呈现出在下游区段的在下游区段的“拉力源拉力源”角色。角色。26钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 高炉高炉原料场原料场焦化焦化烧结烧结推力推力喷煤喷煤铁水预处理铁水预处理转炉转炉二次冶金二次冶金连铸连铸加热炉加热炉热轧机热轧机拉力拉力推力推力拉力拉力推力推力拉力拉力推力推力拉力拉力缓冲力缓冲力注释

32、：注释： 钢厂生产流程运行过程中的钢厂生产流程运行过程中的“推力推力”“缓冲活套缓冲活套”“拉力拉力”解析图解析图27钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 1、高炉高炉-连铸区段（或电炉连铸区段（或电炉-连铸区段）的连铸区段）的运行调控策略和不同工序运行调控策略和不同工序/装置的角色装置的角色 转炉：其功能几经演进，现在已经演变为转炉：其功能几经演进，现在已经演变为高高效脱碳、快速升温、适度脱磷、适度消纳废钢和产效脱碳、快速升温、适度脱磷、适度消纳废钢和产生二次能量生二次能量（转炉煤气、蒸汽）的冶金装置。其合（转炉煤气、蒸汽）的冶金装置。其合理吨位因热轧产品而异理吨位因热轧产品而异28

33、钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 钢厂产品结构与转炉吨位的合理钢厂产品结构与转炉吨位的合理( (优化优化) )关系关系1 1建筑用长材；建筑用长材；2 2优质长材；优质长材；3 3中厚板；中厚板；4 4薄板坯连铸薄板坯连铸- -连轧薄板；连轧薄板；5 5传统热轧薄板传统热轧薄板29钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 为了实现长时间的多炉连浇，转炉必须协同相应的二次冶金为了实现长时间的多炉连浇，转炉必须协同相应的二次冶金装置，实现装置，实现“定时、定温、定品质定时、定温、定品质”地向连铸机供给钢水。这样，地向连铸机供给钢水。这样，生产过程综合优化就要求尽可能按照生产过程综合

34、优化就要求尽可能按照转炉转炉-连铸机一一对应的原连铸机一一对应的原则则，并在此前提下遵循以下规则运行：，并在此前提下遵循以下规则运行： tBOFtCC tSMtBOFtCC 式中式中，tBOF转炉冶炼周期时间，转炉冶炼周期时间，min； tCC 连铸浇铸一炉钢的周期时间，连铸浇铸一炉钢的周期时间，min； tSM 二次冶金装置处理的周期时间，二次冶金装置处理的周期时间，min。30钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 电炉：现在主要是电炉：现在主要是快速熔化并处理含铁原料快速熔化并处理含铁原料（包括对兑入铁水进行快速脱碳和脱磷）和（包括对兑入铁水进行快速脱碳和脱磷）和快速升温快速升温，

35、并尽可能并尽可能回收排放废气的热量回收排放废气的热量。在现代电炉冶炼过程在现代电炉冶炼过程中是不存在还原期的中是不存在还原期的。现在电炉的合理吨位也随着产。现在电炉的合理吨位也随着产品的不同而有合理范围。品的不同而有合理范围。 在现代电炉炼钢厂内，电炉必须努力去适应相应在现代电炉炼钢厂内，电炉必须努力去适应相应连铸机多炉连浇，并且与二次冶金装置协同运行，实连铸机多炉连浇，并且与二次冶金装置协同运行，实现现“定时、定温、定品质定时、定温、定品质”地向连铸机提供钢水。地向连铸机提供钢水。 31钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 在现代电炉流程中，在现代电炉流程中，电炉电炉-二次冶金二次冶

36、金-连铸机一一对应是现代连铸机一一对应是现代电炉流程优化选择的合理原则电炉流程优化选择的合理原则。因此，在电炉流程协同运行。因此，在电炉流程协同运行时，应该遵循：时，应该遵循： tEAFtCC tSMtEAFtCC 式中式中，tEAF电炉冶炼周期时间，电炉冶炼周期时间，min； tCC连铸浇铸一炉钢的周期时间，连铸浇铸一炉钢的周期时间，min； tSM二次冶金装置处理的周期时间，二次冶金装置处理的周期时间，min。 当电炉冶炼周期时间快于连铸浇铸周期时间时，当电炉冶炼周期时间快于连铸浇铸周期时间时，电炉电炉在生在生产流程中更加明显地呈现出产流程中更加明显地呈现出“推力源推力源”的角色，反过来要

37、求的角色，反过来要求连铸机、二次冶金等工序相应协同地作出反应，加快运行节连铸机、二次冶金等工序相应协同地作出反应，加快运行节奏以保持连续、协调运行作业。奏以保持连续、协调运行作业。32钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 二次冶金装置：二次冶金工序二次冶金装置：二次冶金工序(装置装置)的功能已的功能已经演进为：进一步经演进为：进一步提高冶金质量提高冶金质量（包括温度、夹杂（包括温度、夹杂物控制等），进一步物控制等），进一步降低炼钢过程的能耗、物耗以降低炼钢过程的能耗、物耗以降低制造成本降低制造成本，协调协调-缓冲炼钢炉缓冲炼钢炉连铸机之间的连铸机之间的生产物质流，促进多炉连浇生产物质流

38、，促进多炉连浇；因而二次冶金装置一；因而二次冶金装置一般都应列入生产流程般都应列入生产流程 “在线在线”运行。运行。“离线离线”运运行的二次冶金装置往往会引起投资成本、制造成本行的二次冶金装置往往会引起投资成本、制造成本的提高。的提高。 33钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 在不同产品、不同生产流程中，不同二次冶金装置的运行周在不同产品、不同生产流程中，不同二次冶金装置的运行周期时间一般都应该遵循：期时间一般都应该遵循： tSM tBOFtCC 或或tSMtEAFtCC 至少应该保持至少应该保持tSMtEAFtCC。否则就易出现二次冶金装置。否则就易出现二次冶金装置“离线离线”的现

39、象或影响铸机多炉连浇的现象或影响铸机多炉连浇 。 总的来看，各类二次冶金装置的功能和运行原则是为了总的来看，各类二次冶金装置的功能和运行原则是为了“定定时、定温、定品质时、定温、定品质”地向连铸机多炉连浇提供钢水。因此，地向连铸机多炉连浇提供钢水。因此，二次二次冶金装置在炼钢生产过程还担负着生产物质流的协调、缓冲功能冶金装置在炼钢生产过程还担负着生产物质流的协调、缓冲功能。这种这种广义广义“活套活套”功能功能既体现在既体现在钢液化学成分的准确度钢液化学成分的准确度和和冶金纯冶金纯洁度洁度方面，也体现在方面，也体现在过程温度过程温度和和过程时间过程时间方面。方面。34钢厂生产流程的运行策略钢厂生

40、产流程的运行策略 在炼钢炉在炼钢炉-二次冶金二次冶金-连铸机之间进行多炉连浇的运行过程，实际上必连铸机之间进行多炉连浇的运行过程，实际上必然要形成下列时间节奏的协同：然要形成下列时间节奏的协同： tBOF(EAF)=t1+t2+tSM+t3+t4+t5+t6+t7=tCC式中式中，t1:钢包在炼钢炉出钢完毕后输送到二次冶金装置工位的时间间钢包在炼钢炉出钢完毕后输送到二次冶金装置工位的时间间隔，隔，min； t2：钢包到达二次冶金装置工位到二次冶金装置开始运行的时：钢包到达二次冶金装置工位到二次冶金装置开始运行的时间间隔间间隔,min； t3：在二次冶金装置处理结束后钢包到达连铸回转台的时间间：

41、在二次冶金装置处理结束后钢包到达连铸回转台的时间间隔，隔，min； t4：钢包在连铸回转台边上的等待时间，：钢包在连铸回转台边上的等待时间，min； t5：连铸回转台的回转作业时间，：连铸回转台的回转作业时间，min； t6：连铸回转台回转结束到钢包开浇的时间间隔，：连铸回转台回转结束到钢包开浇的时间间隔，min； t7：钢包中钢水开始注入中间包到中间包充满钢水后开始浇注：钢包中钢水开始注入中间包到中间包充满钢水后开始浇注的时间间隔的时间间隔,min 35钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 2.2.连铸连铸- -热轧区段的运行调控策略和不同工序（装置）的角热轧区段的运行调控策略和不同

42、工序（装置）的角色色 旨在旨在实现过程能耗最低、过程库存量最小、过程时间实现过程能耗最低、过程库存量最小、过程时间最短、过程所占空间（包括平面距离）最小、金属收得率最短、过程所占空间（包括平面距离）最小、金属收得率最高最高等多目标优化。等多目标优化。 在凝固在凝固- -热轧区段运行过程中，不同形式的热轧区段运行过程中，不同形式的钢坯加热炉钢坯加热炉、钢坯保温炉钢坯保温炉、热铸坯坑热铸坯坑、中间坯加热炉中间坯加热炉以及以及热卷箱热卷箱等装置，等装置，都在不同程度上、不同技术参数上、不同功能上起着连铸都在不同程度上、不同技术参数上、不同功能上起着连铸机机- -热轧机之间热轧机之间 “缓冲缓冲- -

43、协调协调”的角色，它们的不同组合、的角色，它们的不同组合、不同匹配呈现为不同容量、不同功能的不同匹配呈现为不同容量、不同功能的“广义活套工程广义活套工程”。36钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 板坯连铸板坯连铸- -热带钢轧机之间的钢坯库的合理库热带钢轧机之间的钢坯库的合理库存量由基本库存量存量由基本库存量I IB B和流量波动库存量和流量波动库存量I IF F组成组成。 连铸连铸机机- -热轧机之间的库存热轧机之间的库存容容量量的计算的计算 I I= =I IB B+ +I IF F= =I IB B+ +I IF,DF,D+ +I IF,RF,R式中式中，I IF,D F,D

44、故障引起的流量波动库存，故障引起的流量波动库存，t； I IF,R F,R 检修引起的流量波动库存，检修引起的流量波动库存，t 。 为了便于对为了便于对连铸连铸机机- -热轧机之间的热轧机之间的衔接匹配方衔接匹配方式进行比较，引入式进行比较，引入“活套活套”容量指数容量指数I Ibubu来表征衔来表征衔接匹配方式接匹配方式运行过程运行过程的基本缓冲值。的基本缓冲值。37钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 “活套活套”容量指数容量指数I Ibubu的计算的计算 I Ibubu= =I Iacac/ /I Ih h式中式中，I Ibu bu “活套活套”容量指数容量指数，即，即库存量库存

45、量能够维持能够维持热热轧机轧机正常连续生产的小时数，正常连续生产的小时数，h；I Iac ac 连铸连铸机机- -热轧机之间热轧机之间的实际的实际库存库存容容量量，t； I Ih h 连铸连铸机机- -热轧机热轧机正常协调生产时的小时产量正常协调生产时的小时产量，t/h。 38钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 板坯连铸板坯连铸热轧机之间的理论计算库存容量、实际库存容量和热轧机之间的理论计算库存容量、实际库存容量和“活套活套”容量指数容量指数39 3. 3.关于钢厂生产流程中某些工序（装置）关于钢厂生产流程中某些工序（装置）的的“缓冲缓冲- -协调协调”能力能力 在生产流程中，铁水预

46、处理、二次冶金、在生产流程中，铁水预处理、二次冶金、加热炉乃至转炉也在某种意义上起着加热炉乃至转炉也在某种意义上起着“缓冲缓冲- -协协调调”的作用，也就是维持的作用，也就是维持“分流量相等分流量相等”的的“活套活套”功能。然而，这些工序（装置）在缓功能。然而，这些工序（装置）在缓冲冲- -协调方面的功能是更为广义的。协调方面的功能是更为广义的。 钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 40 其中：其中：“缓冲缓冲”功能，往往是体现在功能，往往是体现在“量量”的方面，例如单位时间的物质流通量，单位时的方面，例如单位时间的物质流通量，单位时间内传输的热量、单位时间的温度升降等。而间内传输的

47、热量、单位时间的温度升降等。而“协调协调”功能则往往是体现在功能则往往是体现在“质质”的变化方的变化方面，例如化学组分变化方面的工序性安排，形面，例如化学组分变化方面的工序性安排，形变控制方面的工序性安排，组织、性能控制方变控制方面的工序性安排，组织、性能控制方面的工序性安排等。面的工序性安排等。 钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 41 为了使炼钢厂区段内的过程物质流实现连续化为了使炼钢厂区段内的过程物质流实现连续化长时间多炉连浇，应符合以下条件：长时间多炉连浇，应符合以下条件： t tSMSMttBOFBOFttCCCC也就是：也就是： Q QCCCCQQBOFBOFQQSMSM

48、式中式中 Q QCCCC连铸机有效运行时，单位时间的物质流通连铸机有效运行时，单位时间的物质流通量，量， t/mint/min； Q QBOFBOF转炉冶炼周期内，单位时间的物质流通量，转炉冶炼周期内，单位时间的物质流通量， t/mint/min； Q QSMSM二次冶金装置处理周期内，单位时间的物质二次冶金装置处理周期内，单位时间的物质流通量，流通量，t/mint/min。 以二次冶金装置的以二次冶金装置的“缓冲缓冲- -协调协调”能力为例：能力为例：钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 42 这样，二次冶金装置对连铸机而言的这样，二次冶金装置对连铸机而言的“缓冲缓冲- -协调协调”

49、能力为：能力为： Q QSMSMQ Qcccc 式中式中 C C 一炉钢水的重量，一炉钢水的重量，t t； 二次冶金装置开始处理的时间，二次冶金装置开始处理的时间，minmin； 二次冶金装置结束处理的时间，二次冶金装置结束处理的时间，minmin； 连铸机开始运行的时间，连铸机开始运行的时间，minmin； 连铸机结束运行的时间，连铸机结束运行的时间，minmin。 SMSSMettCccSccettCSMStSMetccStccet钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 43 由此可以看到，某一装置的由此可以看到，某一装置的“缓冲缓冲- -协调协调”能力能力在这里既可以体现为时间（在

50、这里既可以体现为时间（minmin），也可以体现为单），也可以体现为单位时间的物质（金属）流通量（位时间的物质（金属）流通量（t/mint/min）。）。 同理，二次冶金装置对转炉而言的同理，二次冶金装置对转炉而言的“缓冲缓冲- -协调协调”能力为：能力为： Q QSMSMQ QBOFBOF 式中式中 转炉冶炼开始的时间，转炉冶炼开始的时间，minmin； 转炉冶炼结束的时间，转炉冶炼结束的时间，minmin。 SMSSMettCBOFSBOFettCBOFSt钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 44BOFet 也可以用类似的方法来计算不同类型铁水也可以用类似的方法来计算不同类型铁水

51、预处理工序分别对高炉炼铁过程、转炉炼钢过预处理工序分别对高炉炼铁过程、转炉炼钢过程的程的“缓冲缓冲- -协调协调”能力；计算不同类型加热能力；计算不同类型加热炉等分别对连铸机、热连轧机运行过程的炉等分别对连铸机、热连轧机运行过程的“缓缓冲冲- -协调协调”能力。能力。 钢厂生产流程的运行策略钢厂生产流程的运行策略 45钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 所谓所谓“界面技术界面技术”是相对于钢铁生产流程中炼铁、是相对于钢铁生产流程中炼铁、炼钢、铸锭、初轧（开坯）、热轧等原有主体工序技炼钢、铸锭、初轧（开坯）、热轧等原有主体工序技术而言的，术而言的，“界面技术界面技术”是指这些主体工

52、序之间的衔是指这些主体工序之间的衔接接- -匹配、协调匹配、协调- -缓冲技术及相应的装置（装备缓冲技术及相应的装置（装备）。应）。应该说，该说，“界面技术界面技术”不仅包括不仅包括相应的工艺、装置相应的工艺、装置，而，而且还包括且还包括时时- -空配置空配置、数量数量（容量）（容量）匹配等一系列的匹配等一系列的工程技术工程技术。46钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 工程科学的角度看：工程科学的角度看：“界面技术界面技术”体现在体现在物质、能量、时间等基本参数的衔接、匹配、物质、能量、时间等基本参数的衔接、匹配、协调手段等方面。协调手段等方面。 不同类型的不同类型的“界面技术界

53、面技术”：高炉：高炉- -转炉、转转炉、转炉（电炉）炉（电炉）- -连铸、连铸连铸、连铸- -热连轧之间热连轧之间等。等。47钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 高炉高炉- -转炉区段的转炉区段的“界面技术界面技术” 高炉高炉- -转炉流程，由于其有效容积（或公称容量）转炉流程，由于其有效容积（或公称容量）不同，大体可分为大高炉不同，大体可分为大高炉- -大转炉流程（用于生产平大转炉流程（用于生产平材）和小高炉材）和小高炉- -小转炉流程（主要用于生产长材）。小转炉流程（主要用于生产长材）。不同类型产品生产流程不同，炼铁不同类型产品生产流程不同，炼铁- -炼钢之间界面技炼钢之间界

54、面技术形式也各有差异，构成了高炉术形式也各有差异，构成了高炉- -转炉流程转炉流程“界面技界面技术术”的多样性。的多样性。 481中、小高炉铁水经由受铁罐中、小高炉铁水经由受铁罐混铁炉混铁炉兑铁包后兑入中小转炉兑铁包后兑入中小转炉 的过程示意图的过程示意图 T铁水温度的升降铁水温度的升降()； 铁水输送、储存、转兑等过程的时间铁水输送、储存、转兑等过程的时间(min)； E外加能源外加能源(GJ) 钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 492 中、小高炉铁水经由受铁罐兑入中小转炉的不同过程示意图中、小高炉铁水经由受铁罐兑入中小转炉的不同过程示意图T铁水温度的降低铁水温度的降低()；

55、 铁水输送、储存、转兑等过程的时间铁水输送、储存、转兑等过程的时间(min)钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 503 中、小高炉中、小高炉中、小转炉间经过铁水脱硫处理的过程示意图中、小转炉间经过铁水脱硫处理的过程示意图TT铁水温度降低铁水温度降低()()；铁水输送、储存、预处理、转兑等过程的时间铁水输送、储存、预处理、转兑等过程的时间(min)(min)钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 514大高炉大高炉大转炉间铁水经鱼雷罐车转运过程的示意图大转炉间铁水经鱼雷罐车转运过程的示意图TT铁水温度降低铁水温度降低()()； 铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间

56、（铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间（minmin）钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 525图图1111大高炉大高炉- -大转炉间铁水在鱼雷罐内进行大转炉间铁水在鱼雷罐内进行“三脱三脱”处理的转运过程示意图处理的转运过程示意图TT铁水温度降低铁水温度降低()()； 铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间(min)(min)钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 536大高炉大高炉大转炉之间铁水分步大转炉之间铁水分步 “三脱三脱”处理的转运过程示意图处理的转运过程示意图TT铁水温度降低铁水温度降低()()； 铁

57、水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间(min)(min)钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 547大高炉大高炉大转炉之间不经鱼雷罐车的分步、分工序铁水大转炉之间不经鱼雷罐车的分步、分工序铁水“三脱三脱”处理转运过程处理转运过程示意图示意图TT铁水温度降低铁水温度降低()()； 铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间(min)(min) 钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 55 大高炉大高炉大转炉之间不经鱼雷罐车快捷的铁水分步、大转炉之间不经鱼雷罐车快捷的铁水分步、分工

58、序分工序“三脱三脱”处理转运过程示意图处理转运过程示意图TT铁水温度的降低铁水温度的降低()()； 铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时铁水输送、储存、预处理、扒渣、转兑等过程时间间(min)(min)8钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 56 在讨论了上述高炉在讨论了上述高炉-转炉区段内不同的界面连结转炉区段内不同的界面连结过程后，必然会考虑到过程后，必然会考虑到高炉高炉(出铁量出铁量)受铁罐受铁罐（包括鱼雷罐车）（包括鱼雷罐车）-铁水预处理装置铁水预处理装置-兑铁包兑铁包-转炉转炉之间之间容量对应关系的重要性容量对应关系的重要性；也一定会联想起；也一定会联想起输送输送铁

59、路能力铁路能力和和平面布置图平面布置图在高炉在高炉-转炉界面连结、匹转炉界面连结、匹配中的重要性等。这些因素会影响到高炉配中的重要性等。这些因素会影响到高炉-转炉之转炉之间运行的优化。间运行的优化。 钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 57钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 58钢厂生产流程的钢厂生产流程的“界面技术界面技术” 在一定的布置方式下，高炉座数越多，由高炉向炼钢工序运送铁水时占在一定的布置方式下，高炉座数越多，由高炉向炼钢工序运送铁水时占用铁路的时间越多，从理论上讲，用铁路的时间越多，从理论上讲，铁路占用率不应超过铁路占用率不应超过6060，高炉的最佳座

60、，高炉的最佳座数与铁路的占用率存在一定的函数关系数与铁路的占用率存在一定的函数关系。以宝钢现有的高炉布置方式为例，假设：以宝钢现有的高炉布置方式为例，假设：l l 铁路走行线为复线，单方向运行，运距铁路走行线为复线，单方向运行，运距1000m1000m，走行范围内的道岔均集，走行范围内的道岔均集中控制；中控制；l l 重车车速重车车速10km/h10km/h，空车车速，空车车速15km/h15km/h；l l 单机作业次数按车列的单机作业次数按车列的5050计算计算l l 瓶颈区段瓶颈区段A AB B的通过车次为：的通过车次为：1)1) 所有高炉的铁水重车均通过此段；所有高炉的铁水重车均通过此