钢铁制造流程的演进及其工程效应

钢铁制造流程的演进及其工程效应

1产品结构专业化长期以来，钢铁制造工艺的基本工艺原则没有得到显著改变，但工艺过程的技术表现形式发生了变化。不断的技术进步,使得钢厂总体模式不断改变。总的看,钢铁制造流程正处在从间歇/准连续向准连续/连续的方向演进之中。产品结构专业化是钢厂结构调整的主要方向。21世纪的钢铁企业要在市场竞争力和可持续发展的挑战中生存发展,必须依靠新一代生产力。而新一代生产力的获得要通过对市场、产品结构和制造流程进行解析和综合集成,在总体上获得新的概念性设计,并结合新工艺、新装备和信息技术应用到工程设计和企业技术改造的战略实施中去。钢铁制造流程的解析和集成在不同层次上的涵义见图1。本文将着重讨论钢铁制造流程的结构解析及在工程应用中的若干工程效应问题。2考虑生产流程的统一设计从根本上看,钢铁制造过程的本质是物质状态转变、物质性质控制、物质流管制在时间、温度和空间上的融合、贯通、协调、控制,实际上是一种多维的过程物质流管制系统。这种多维过程物质流系统在实际生产中是以“准连续/间歇”性质的“弹性链/半弹性链”谐振方式运行的。钢铁制造流程的结构决定着钢铁企业的模式。而钢厂模式包括产品系列、企业规模、销售范围等。国际钢铁工业共同的时代命题——市场竞争力、可持续发展的要求,将以科学—工程的形式反映到钢铁制造流程上。主要表现为:(1)钢铁制造流程将是紧凑化—准连续化—产品专业化的制造流程,这样的生产流程既是环保意义上的清洁生产流程,又是市场竞争力意义上的结构调整与优化的工艺流程(含洁净钢生产流程);(2)钢厂排放过程的有效控制和无害化处理以及排放物质的再资源化、再能源化;(3)钢厂制造流程是以实现冶金功能为主体,逐步演变成兼顾能源转换功能以及社会废弃物的环保处理等功能的流程。组成钢铁制造流程的各单元工序应具有总体上的配合性和协调性。现代化的流程系统不应是各组元的简单叠加、拼凑,它应以合理的系统结构来实现特定的功能。图2示出了战后钢铁联合企业生产流程的演进。钢铁制造流程的解析—综合集成,就是根据流程系统的目标(群)来解决流程系统的结构优化和功能优化。其基本内容将涉及过程工序功能集和单元工序功能集的解析优化、工序关系集(相邻的、长程的)的协调优化和流程系统工序集的重构优化的研究。进而在工程设计和应用中对钢厂的产品结构、工艺流程进行优化组合,对装备的功能水平和能力进行新的认识和开发,对钢厂的合理规模以及环境友好的程度进行调整优化。回顾150多年来钢铁工业技术进步的历程,可以看出:(1)一批新工艺、新装备在创新过程中发展,例如氧气转炉、连铸、铁水预处理、二次冶金、控轧控冷、薄板坯连铸—连轧、薄带连铸、直接还原、熔融还原等;(2)一批工艺、装置在逐步演进、完善过程中得到发展。例如高炉大型化、超高功率电炉、大型烧结机、热连轧机、无缝钢管轧机等;(3)一批工艺、装置在竞争过程中被更替、淘汰,例如贝塞麦转炉、托马斯转炉、平炉、混铁炉、模铸、初轧/开坯轧机、横列式轧机、叠轧薄板轧机、小电炉、烧结锅等。上述技术进步的过程都体现出制造过程中工序功能的解析—优化,工序关系集的协调—优化以及随之出现的流程工序集合的重新构造—优化。3单元工序工程效应在上述钢铁制造流程结构演进中,不仅有着一系列新工艺、新装备的出现,而且还存在着一些值得重视的工程效应问题。在钢厂制造流程中这些工程效应不仅存在于单元工序中,更重要的是体现在多个工序中或生产区段(例如炼钢厂、轧钢厂等)中。这些工程效应的表现形式主要是:(1)“瓶颈”效应及其消除;(2)“临界—优化”或“临界—紧凑—连续/准连续”效应;(3)“分解—集成”或“柔性活套工程”效应;(4)“动脉—静脉”协调循环效应等。3.1解决了模铸—“瓶颈”效应及其消除钢铁生产是一种多工序、间隙/准连续的长流程作业方式,无论从全流程(整个企业)看,还是从区段(车间)看,甚至从单元工序(装置)看,都有可能出现影响生产连续稳定地进行的“瓶颈”现象。这类“瓶颈”现象表现为“物质流量型”、“时间因素型”、“温度/能量型”、“质量参数型”等。然而,从总体看,长期以来影响钢铁生产流程的“瓶颈”是模铸—初轧/开坯以及与之相应的钢锭库、中间坯库。模铸—初轧/开坯导致生产的连续性受到阻塞,而且还影响炼钢炉、热轧机生产效率的发挥;而由于连铸工艺的广泛采用,钢铁企业的转炉生产效率成倍提高。可见连铸工艺对于钢厂解决“瓶颈”效应表现得最为突出。中国地方钢铁企业由于连铸比的提高,模铸过程的“瓶颈”效应被消除,使其转炉利用系数成倍提高(见表1)。当然,地方钢厂的转炉利用系数的提高还有一些其它因素的促进。连铸工艺特别是全连铸体制钢厂的出现,不仅解决了模铸—初轧/开坯过程中金属收得率、时间、温度/能量损失的“瓶颈”现象(图3),而且还解决了物流的运输方式(有可能不用火车,只用辊道直接简捷输送),解决了输送过程中的距离、时间、温度/能量“瓶颈”,也解决了压力加工成型过程中压缩比大的形变“瓶颈”等。由于全连铸生产体制淘汰了模铸—初轧/开坯体制,钢厂结构发生了变化,这就是以高效生产的专业化钢厂替代了低效率、高能耗的“万能化”钢厂。当然,相当长时期内,因平炉冶炼时间过长,轧钢加热炉加热时间过长等也呈现出明显的“瓶颈”效应,已分别被转炉、超高功率电炉、铸坯热装等工艺淘汰或改进。3.2临界—“临界—优化”或“临界—紧凑—连续/准连续”效应由于各单元工序、装置不断地技术进步,各工序之间发生了不同类型、不同层次的“临界—优化”或“临界—紧凑—连续/准连续”效应。所谓“临界—优化”或“临界—紧凑—连续/准连续”效应是指:当流程系统内某一工序(或装置)被取代(淘汰),或是某些工序的若干功能被取代或优化,从而实现钢铁制造流程的“紧凑化”(简化)、“连续/准连续”,进而使得钢厂生产一系列结构性的变化。当然,激发出这种效应的起因,往往是某些参数的“临界”值。钢铁制造过程中的“临界”现象可以在不同层次上来分析,有全流程性的“临界”效应,见图4;有区段性的“临界”效应,见图5;有单元工序性的“临界”效应和单一操作性的“临界”效应等。随着钢铁制造流程中“临界—优化”效应或“临界—紧凑—连续/准连续”效应的出现,在工程设计上不能再把钢厂生产流程视为一系列单元工序简单并联/串联性的组合体,也不能片面地追求某一工序(装置)的所谓自身“最佳化”,而应该用新的流程效应、新的设计思想,对钢铁制造流程进行解析—综合集成,以实现整体优化—结构升级。薄板坯连铸—连轧工艺的出现,使人不得不联想,到2010年后,传统厚板连铸机—传统热连轧机(粗轧机组+精轧机组)是否还能保持其市场竞争力?3.3解决连铸高速高效化后的多炉连浇在现代钢铁制造流程中,为了实现某些(或一系列)优化目标,有时在简化工序的同时,也有通过对某些工序的功能进行优化、分解/分担或替代,甚至增加新工序(装置),然后再将某些区段(车间)的多个工序协调—集成起来,形成“分解—集成”效应,达到新的系统优化目标。这类效应最为突出的反映是在炼钢区段内。由于连铸不断向高速、高效化方向发展,致使板坯连铸机的拉速达到2.5m/min的水平。这样,270t转炉的一炉钢水将在25～30min拉完,而如果转炉的出钢—出钢周期时间>25min,则难以实现多炉连浇。同样,如果铁水预处理的周期时间大于浇注一炉钢的时间也将难以实现多炉连浇。对于铁水预处理工序而言,影响处理周期时间的因素主要是扒渣时间过长,而影响转炉出钢—出钢时间的因素主要是脱硅、脱磷、脱硫、升温等冶金功能过多。为了解决好连铸高速高效化后的多炉连浇,日本开发了铁水全部经过预炼转炉进行“三脱”处理,炼钢转炉的功能则简化为脱碳、升温,然后全部钢水通过快节奏的精炼装置处理(如RH—KTB、CAS等),由此形成串联式一一对应的“分解—集成”效应,如图6所示。这类“分解—集成”效应已经在日本好几个钢厂实现,在全量铁水经转炉“三脱”处理的基础上,获得了以两座270t转炉吹一座,就可以实现年产480～500万t钢的水平。这种“分解—集成”效应的出现,冲击了大型联合企业往往要有几个炼钢车间的传统概念。同时,也预示着经铁水“三脱”后转炉的生产效率明显提高,今后是否有必要选择300t转炉,应该从投资、制造成本等一系列技术经济问题上进行审慎的评估。3.4避免“动脉—“动脉—静脉”循环效应钢铁制造流程犹如人体的动脉,主要是金属物流过程。与之相应不可避免会出现各类排放过程与不同的排放物,犹如人体的“静脉”。现代化的钢厂在工程设计中,应高度重视可持续性发展,注意“动脉—静脉”的循环协调,也就是要使排放过程中的排放物、剩余能在制造过程中再资源化、再能源化有效利用,以期降低制造成本,并争取接近“零”排放,促进与环境友好。在钢厂生产流程中,耗能最多、排放最多的当属炼铁区段,也是“动脉—静脉”循环效应最值得重视的区段,图7示出了高炉炼铁区域物料与能源的“动脉—静脉”循环效应。其中蕴涵着高炉—转炉联合企业“只买煤,不买电”的发展趋势。4确立合理生产规模新一代钢厂的工程设计首先应在总体上选择好钢厂模式及其结构,其核心是从市场需求出发选择合适的产品大纲。再从产品大纲出发结合资源、能源、运输、资金等条件,选择合理的工艺流程、装备能力、装备水平,并在此基础上确立合理的生产规模。钢厂达不到一定的生产规模(主要取决于产品结构),则无法搞先进的生产技术,难以生产出质量好、成本低的产品而无法盈利。然而,钢厂的生产规模也不是越大越好,单个钢厂规模过大时,将引起生产流程难以合理配置、投资量过大、设备开工率不足、资金回报率低等后果。在设计过程中,必须充分考虑一系列新工艺、新技术、新装备在生产过程中组合后的工程效应。在新概念的指导下,使这些新工艺、新技术、新装备形成一系列新的工程表现形式。总的看,未来钢铁生产流程各工序的工程内涵将向下述方向发展。(1)发展“零”排放的方向发展将遵循原料处理、还原过程与能源/物料的循环、转换相结合,向低能耗(包括少焦、非焦)、高效率、长寿命、“零”排放的方向发展;同时,应进一步展望,钢铁生产过程的还原工序装置不仅是液态金属的初始发生器,而且也可以是一种有价值的能源转换器,或是某些社会废弃物的环保处理器。(2)钢环法将遵循工序功能的解析优化、工序间的协调优化的原则,向连续高效生产、洁净钢生产的方向发展。(3)固液体制造工艺将遵循高速化(远离平衡的凝固)和近终形(强化成型功能)的原则,成为使整个钢铁生产过程向着连续化—紧凑化—专业化方向发展的核心工序。(4)生产质量控制将遵循尽可能压缩比最小化(弱化或消除压延功能),强化对表面质量和形状精度的控制,强化对产品组织/性能的“在线”控制(包括中、低温度下的非再结晶轧制),向生产高速化、连续化、产品高附加值化方向发展。5企业战略管理中流程管理方面,应建立符合企业自身发展条件的企业信息化企业设计能力模型,并将企业作为发展中国家,中国将继续发展钢铁工业。从全球角度看,中国发展钢铁工业有比较优势和后发优势。在进入21世纪之际,应该解决创新和跨越式发展问题。应在钢铁制造流程的解析与集成理论和基础研究的基础上,研究符合国情的、以先