·116· 工程科学学报，第39卷，第1期 近年来，围绕提高制造业水平的新概念和新技术 需要而运行，其过程表现为能量流的流动形式，在目前 层出不穷，制造业正在经历一场重大变革，全球产业竞 以碳治金为主的情况下，也可将其视为碳素流.显然， 争格局将发生重大调整.德国提出“工业40”战 在钢铁制造流程中，以铁素流为主体的物质流是加工 略)，英国提出“高值制造”战略[]，美国提出“先进制 的对象，构成制造流程网络的基础：以碳素流及其相关 造”战略]，“中国制造2025”战略也应运而生，其核 二次能源流为主体的能量流是制造加工过程中的驱动 心思想都涉及制造业数字化、网络化和智能化，信息通 力、化学反应介质、热介质等，能量流伴随物质流流动 讯技术和制造技术的深入融合，面向产品及制造系统 针对钢铁制造流程物质流能量流的相关问题，国内外 全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化和智能化 众多专家做了大量研究工作 制造. 殷瑞钰-]提出的“冶金流程工程学”将钢铁制造 钢铁工业作为国民经济的支柱产业，也是整个工 流程相关研究上升到工程科学的高度，重点指出可将 业体系最重要的基础和战略产业之一]，在智能制造 钢铁生产过程看成一个由生产制造流程的各工序构成 的背景下，也提出“绿色化、智能化”发展的新目标和 的复杂流程网络，钢铁生产是钢铁物质流（主要是铁 要求.中国是目前全球钢铁产量最大的国家，2015年 素流)在能量流（主要是碳素流）的驱动和作用下，按 粗钢产量为8.038×1031，占全球总量的49.53%，但 照设定的“程序”，沿着“流程网络”作动态-有序的运 钢铁行业存在生产流程长、资源和能源利用率低、环保 行.冶金流程工程学奠定了研究的方法论基础. 压力大、产能严重过剩、盈利艰难等状况，“低增长、低 陆钟武等[9-针对钢铁生产流程物质和能量动态 价格、高压力、低效益”的新常态将会持续，亟需理念 变化、错综复杂的特点，提出“钢铁生产流程基准物流 创新、商业模式创新、管理创新及技术创新 图”，以“基准吨材能耗”及“基准吨钢能耗”建立钢铁 钢铁制造流程物质流和能量流的协同优化，是企 生产流程中各种物质流变化对能耗影响的基本分析方 业实现节能减排、降本增效的重要手段之一：通过对 法，讨论工序铁资源效率与流程铁资源效率之间的联 整个制造流程进行合理组织和精细化管理，采用新的 系及影响，进而提出工业生态学学说：从宏观的角度， 技术手段进行物质流和能量流的协同优化，可促进能 对生产全过程中的物质消耗和能量利用情况进行分析 源系统更好的满足生产需要，使能源管理系统(ener 并提供指标体系建立方法. management system,EMS)与企业生产管控的企业资源 在钢铁制造领域关于物质流能量流的相关研究主 计划系统(enterprise resource planning,ERP)和制造执 要有以下几方面。蔡九菊等2-将复杂的钢铁生产系 行系统(manufacturing execution system,MES)进一步 统分解为相关联的物质流动和能量流动两部分，从工 融合，从而提高生产效率和能源利用率，提升企业的竞 序层面建立物质流和能量流的解析模型，分析钢铁生 争力.因此，为实现“绿色化、智能化钢铁制造流程及 产过程中的物质流变化和能量流变化对企业能耗、资 品种技术集成研发与应用”的我国钢铁行业发展总体 源效率和能源效率的影响：通过考虑钢铁生产过程中 任务，开展钢铁制造流程物质流和能量流的协同优化 的资源消耗、产品生产和污染物排放的问题，建立污染 方法研究具有重要意义 物流与物质和能量的关系：并基于大系统优化，提出钢 本文以钢铁智能制造的发展趋势为背景，通过对 铁工业系统节能和科学用能方法.孙彦广[6-)构建全 钢铁制造流程物质流和能量流相关研究的分析，提出 流程能量使用、能源回收和能源转换传输三环节的能 钢铁制造流程物质流和能量流协同优化的初步设想， 量流网络化定量分析模型：在此基础上，综合多层次多 为推进钢铁智能制造发展提供思路 视角的能效分析、多介质多场景的能源计划和反馈前 馈结合的能源调控手段，实现企业能源管控的三个闭 1钢铁制造流程物质流能量流相关研究进展 环：在首钢京唐、沙钢等钢铁公司进行示范应用，有效 钢铁制造流程是将物态转变、物性控制与物流控 减少能源放散，提高能源转换和使用效率，降低生产成 制优化结合的一个复杂的多维物流系统[6，具有规模 本.陈光等[⑧-)通过对钢铁企业物质流和能量流的分 庞大、生产单元多、技术复杂、专业化及协作化程度高 析，利用系统论、控制论和协同论，建立多介质、多层次 等特点.其中，铁矿粉等含铁物料在由各工序及其对 和多维度的能耗模型体系：从物质流、能量流、设备状 应的工位设备构成的生产流程网络中，按照生产需求 态及热平衡的角度，提出钢铁企业能耗分析的新方法 沿着特定的加工工艺路径在设备上进行加工，经过一 与能耗计算公式：实现物流和能流的高效对接、在线调 系列的物理和化学变化，实现从原料到不同钢铁产品 整和动态优化，构建能源精益化管控系统及控制支持 的转变，其过程体现为铁素物质流的流动形式.与此 系统.Tang等[-]针对钢铁制造流程中主物质 同时，在含铁物料加工过程中，同时伴随有能源需求、 流一铁素流的加工设备选择和时间决策问题，利用 能源转化和二次能源产品产生，能量供应以满足生产 数学规划建模理论，分别构建静态调度模型和动态调工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 近年来,围绕提高制造业水平的新概念和新技术 层出不穷,制造业正在经历一场重大变革,全球产业竞 争格局将发生重大调整. 德国 提 出 “ 工 业 4郾 0 冶 战 略[1] ,英国提出“高值制造冶战略[2] ,美国提出“先进制 造冶战略[3] ,“中国制造 2025冶战略[4]也应运而生,其核 心思想都涉及制造业数字化、网络化和智能化,信息通 讯技术和制造技术的深入融合,面向产品及制造系统 全生命周期,实现泛在感知条件下的信息化和智能化 制造. 钢铁工业作为国民经济的支柱产业,也是整个工 业体系最重要的基础和战略产业之一[5] ,在智能制造 的背景下,也提出“绿色化、智能化冶发展的新目标和 要求. 中国是目前全球钢铁产量最大的国家,2015 年 粗钢产量为 8郾 038 伊 10 8 t,占全球总量的 49郾 53% ,但 钢铁行业存在生产流程长、资源和能源利用率低、环保 压力大、产能严重过剩、盈利艰难等状况,“低增长、低 价格、高压力、低效益冶 的新常态将会持续,亟需理念 创新、商业模式创新、管理创新及技术创新. 钢铁制造流程物质流和能量流的协同优化,是企 业实现节能减排、降本增效的重要手段之一. 通过对 整个制造流程进行合理组织和精细化管理,采用新的 技术手段进行物质流和能量流的协同优化,可促进能 源系统更好的满足生产需要,使能源管理系统( energy management system, EMS)与企业生产管控的企业资源 计划系统(enterprise resource planning, ERP)和制造执 行系统( manufacturing execution system, MES) 进一步 融合,从而提高生产效率和能源利用率,提升企业的竞 争力. 因此,为实现“绿色化、智能化钢铁制造流程及 品种技术集成研发与应用冶的我国钢铁行业发展总体 任务,开展钢铁制造流程物质流和能量流的协同优化 方法研究具有重要意义. 本文以钢铁智能制造的发展趋势为背景,通过对 钢铁制造流程物质流和能量流相关研究的分析,提出 钢铁制造流程物质流和能量流协同优化的初步设想, 为推进钢铁智能制造发展提供思路. 1 钢铁制造流程物质流能量流相关研究进展 钢铁制造流程是将物态转变、物性控制与物流控 制优化结合的一个复杂的多维物流系统[6] ,具有规模 庞大、生产单元多、技术复杂、专业化及协作化程度高 等特点. 其中,铁矿粉等含铁物料在由各工序及其对 应的工位设备构成的生产流程网络中,按照生产需求 沿着特定的加工工艺路径在设备上进行加工,经过一 系列的物理和化学变化,实现从原料到不同钢铁产品 的转变,其过程体现为铁素物质流的流动形式. 与此 同时,在含铁物料加工过程中,同时伴随有能源需求、 能源转化和二次能源产品产生,能量供应以满足生产 需要而运行,其过程表现为能量流的流动形式,在目前 以碳冶金为主的情况下,也可将其视为碳素流. 显然, 在钢铁制造流程中,以铁素流为主体的物质流是加工 的对象,构成制造流程网络的基础;以碳素流及其相关 二次能源流为主体的能量流是制造加工过程中的驱动 力、化学反应介质、热介质等,能量流伴随物质流流动. 针对钢铁制造流程物质流能量流的相关问题,国内外 众多专家做了大量研究工作. 殷瑞钰[7鄄鄄8]提出的“冶金流程工程学冶将钢铁制造 流程相关研究上升到工程科学的高度,重点指出可将 钢铁生产过程看成一个由生产制造流程的各工序构成 的复杂流程网络,钢铁生产是钢铁物质流(主要是铁 素流)在能量流(主要是碳素流)的驱动和作用下,按 照设定的“程序冶,沿着“流程网络冶作动态鄄鄄 有序的运 行. 冶金流程工程学奠定了研究的方法论基础. 陆钟武等[9鄄鄄11]针对钢铁生产流程物质和能量动态 变化、错综复杂的特点,提出“钢铁生产流程基准物流 图冶,以“基准吨材能耗冶及“基准吨钢能耗冶建立钢铁 生产流程中各种物质流变化对能耗影响的基本分析方 法,讨论工序铁资源效率与流程铁资源效率之间的联 系及影响,进而提出工业生态学学说;从宏观的角度, 对生产全过程中的物质消耗和能量利用情况进行分析 并提供指标体系建立方法. 在钢铁制造领域关于物质流能量流的相关研究主 要有以下几方面. 蔡九菊等[12鄄鄄15]将复杂的钢铁生产系 统分解为相关联的物质流动和能量流动两部分,从工 序层面建立物质流和能量流的解析模型,分析钢铁生 产过程中的物质流变化和能量流变化对企业能耗、资 源效率和能源效率的影响;通过考虑钢铁生产过程中 的资源消耗、产品生产和污染物排放的问题,建立污染 物流与物质和能量的关系;并基于大系统优化,提出钢 铁工业系统节能和科学用能方法. 孙彦广[16鄄鄄17]构建全 流程能量使用、能源回收和能源转换传输三环节的能 量流网络化定量分析模型;在此基础上,综合多层次多 视角的能效分析、多介质多场景的能源计划和反馈前 馈结合的能源调控手段,实现企业能源管控的三个闭 环;在首钢京唐、沙钢等钢铁公司进行示范应用,有效 减少能源放散,提高能源转换和使用效率,降低生产成 本. 陈光等[18鄄鄄19]通过对钢铁企业物质流和能量流的分 析,利用系统论、控制论和协同论,建立多介质、多层次 和多维度的能耗模型体系;从物质流、能量流、设备状 态及热平衡的角度,提出钢铁企业能耗分析的新方法 与能耗计算公式;实现物流和能流的高效对接、在线调 整和动态优化,构建能源精益化管控系统及控制支持 系统. Tang 等[20鄄鄄21] 针 对 钢 铁 制 造 流 程 中 主 物 质 流———铁素流的加工设备选择和时间决策问题,利用 数学规划建模理论,分别构建静态调度模型和动态调 ·116·