21世纪钢铁工业技术发展与展望

21世纪钢铁工业技术发展与展望

一般来说，过程工业实际上是所有工业的“初始过程”。流程制造业的发展与不同国家、不同地区的资源、能源有着密切关系。当然,也与人口数量、人口状况有着密切的关系。中国人口众多,制造业门类齐全,流程制造业是国家工业化、现代化的必备基础。因此,仍然需要关注流程制造业的发展与创新。1为什么要关注“过程”研究1.1多目标群优化的挑战。在生(1)21世纪钢铁企业面临的挑战已不仅是产品的质量、性能问题,也不仅是产量和生产效率问题,而是一种最新形式的综合性挑战;它包括了经营成本、产品质量与性能,生产效率与合理规模、能耗与过程排放、过程灵活控制、环境与生态等多目标群优化的挑战。要认识并解决这类多目标优化的挑战,不能从某一产品的材料学问题来解决,也不能靠某一工艺装置的工艺学问题来解决;主要应从生产流程整体优化来解决。(2)流程制造业进入21世纪后,在信息技术蓬勃发展的影响下,在制造流程的工程设计、生产运行和经营管理上面临着如何充分利用以计算机为核心的信息技术的挑战,钢铁制造流程的整体信息化应该是在制造流程重组优化基础上的信息化,应该是物质流、能量流、信息流之间互动的综合信息化。钢厂也面临环境-生态问题的挑战以及如何积极主动地实现生态化转型,进而融入循环经济社会中去……。这些命题不能只从某一产品的研究来解决,也不能只从某一装置的工艺学问来解决,而只能从流程整体的过程工程的层面上来解决。1.2流程与制造流程对流程制造业而言,为了制造某类、某一产品,必须通过由功能不同的工序串联起来构成的制造流程,并通过流程的协同运行,才能生产出来。从这个角度上看,是产品引起了制造流程的构成;然而,流程一经确定,其功能就不再只是为了生产某类、某一产品。因为流程的决定还取决于资源、能源、运输、市场容量、环境以及其它社会条件;同时流程运行的结果,也不只是产品,至少还有副产品和过程排放物等。当然,流程的确定还受到工艺技术、装备性能、效率等因素的强烈影响。总的看来,产品将在很大程度上决定制造流程,但反过来,制造流程一经确定,就蕴涵着不同层次多种因素的“耦合-集成性”和发挥多种功能的“平台性”。制造流程将涉及钢厂的结构与功能,并将引导钢厂发展模式的取向。新世纪内钢铁工业(流程制造业)的进一步发展有赖于这类大尺度-多层次问题的解决。其中既包括了工程理论问题、工程设计问题,又包括了生产技术问题、运行调控问题和环境-生态问题等等……。制造流程对于相应的流程制造业而言,具有根本重要性,随着时代的进步,文明的发展,应该用新的理念、新的思维来研究新一代的制造流程。1.3流程研究包括工程问题和科学研究2新型钢铁工程的功能和目标2.1生产企业制造流程特点长期以来,钢铁制造流程的功能被天经地义地确定为制造钢铁产品,其中包括了从形状上分的长材(棒材、线材、型材、丝材等)、平材(薄板、中板、厚板等)和管材(无缝管、焊管),当然其中也包括了相应的各种钢类、钢号。为了大批量、经济地制造这些钢铁产品,钢厂的制造流程不断发生演变与革新,特别是不少单元工序在工艺上、装备上革命性变革的推动下(例如氧气转炉、钢水精炼、铁水预处理、大型电炉、连续铸锭、连续轧制等先进工艺、装备的发展和贝氏麦转炉、托马斯转炉、平炉、小电炉、混铁炉、模铸、初轧机、开坯机的相继被淘汰),使得钢厂制造流程发生了巨大的变化(见图2)。由于钢厂制造流程的结构和工艺技术特性,使钢厂具有以下特点。(1)资源密集、能耗密集:在钢铁联合企业内,每吨钢将消耗0.6～0.8t标煤、1.50～1.55t铁矿石、80～150kg废钢、3～8t新水,由此形成了大量的物质、能量的输入与输出;(2)生产规模大、物流吞吐大:现代化钢厂的基本级别已经大致地分为年产钢800～1000万t,600～800万t,300～400万t及100～200万t等级别;由此伴随着巨大的资金流;(3)制造流程工序多、结构复杂:由此可形成若干产业链接关系,其中必然涉及时-空因素;(4)制造流程中伴随着大量物质和能量排放,并形成了复杂的环境界面,其中蕴含着诸多“3R”的可能性。钢厂的上述特点,特别是物质、能量、资金、时间、空间等五因素高度集中,启发了对钢厂功能拓展的思考,结合钢铁工业环境保护、清洁生产、绿色制造的研究(图3),我们认识到在未来的发展过程中,钢厂由于其制造流程的特点,应该具有三类功能——钢铁产品制造功能、能源转换功能和排放物、废弃物处理、再资源化功能(图4),并通过功能的拓展融入循环经济社会中去(图5)。2.2大型钢铁联合企业研究新一代钢铁制造流程的目标是通过新一代流程的整体集成优化来解决流程系统的功能优化、结构优化和效率优化。进而在更大尺度上解决不同类型钢铁企业的结构-模式、市场竞争力,解决企业的经济效益、环境-生态效益和社会效益。新一代钢铁制造流程的目标如下:我国新一代钢铁制造流程研究的重点目标,是要在21世纪的时代背景下,自主集成生产薄板(及其深加工产品)的大型钢铁联合企业的工艺流程和装备,以支持新一代钢铁基地(例如曹妃甸钢厂等)的建设和现有钢厂的改造。在流程整体优化的基础上使我国钢铁工业再节能15%～20%,使钢的使用效率提高5%～15%,解决若干高附加值产品的自主开发和创新问题,新一代钢铁制造流程不仅具有良好的钢铁产品制造功能,而且还具有能源转换功能和废弃物处理和再资源化功能,推动钢厂融入循环经济的进程中去。作为未来新建的钢铁基地(以800～900万吨/年全薄板型钢厂为例)将实现如下目标:·占地面积:8km2左右;·高效率、低成本、大批量地生产高附加值薄板及其深加工产品;·能耗:620～630kgce/t;·新水消耗<3.5t/t钢;·只买煤、基本不买电、不用燃料油;·钢-电-水泥联合生产;·大量消纳处理废塑料、废钢等废弃物;·劳动生产率:1200～1600t/人·年(如果不计协力人员,则生产在线人员的劳动生产率将达到～3000t/人·年左右)。3流程再造的技术由于钢铁制造流程是由功能各异的不同工序串联起来、集成运行的。所以新一代流程不可能也不必要对每一工序的工艺、装置全部进行替代性的更新,来重新构筑完全不同于现有制造流程的新流程。所谓新一代钢铁制造流程应是建立在若干现有先进工艺、装备的基础上,与新开发的工艺、装备以及新开发的“界面技术”创新性集成起来,而重新构筑的工艺制造流程。其重点是:(1)共性平台技术:例如经济、高效的洁净钢生产技术平台等;(2)动态-有序运行的“界面技术”:即工序之间、车间之间衔接匹配、协同、缓冲技术等,例如高炉-转炉之间的“界面技术”,炼钢-连铸之间的“界面技术”,连铸-热轧之间的“界面技术”,热轧-冷轧之间的“界面技术”等;(3)流程工程集成技术:例如流程网络(平面图等)的合理配置技术;若干关键装备的自主创新设计和制造技术;物质流-能量流-信息流动态-有序的信息调控技术等。(4)系统、高效的能源转换技术:例如CDQ、TRT、CCPP等发电技术,能源梯级利用技术,甚至包括万吨级制氢技术等。(5)废弃物资源化利用技术:包括废钢、废塑料、废轮胎等废弃物的消纳、处理等;(6)产业链接技术:包括钢厂-水泥厂-发电厂-石化厂-化工厂(化肥、制盐)-造船-集装箱制造