郑忠等：钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 ·117· 度模型，并提出拉格朗日松弛算法和差分进化算计进 研究汽车制造商和供应商供需关系，可为汽车供应链 行求解，为实现铁素物质流有序、高效的生产提供优化 优化提供决策辅助.针对流程工业过程系统中的物 的调度方案.王刚等[]针对钢铁生产中物质流和能 质、能量和信息的流动问题，龙妍[3]采用控制论、协同 量流同时影响能耗的问题，建立能耗瓶颈诊断模型，分 学、熵理论等，研究物质流、能量流和信息流的协同机 别用钢比系数和工序能耗衡量物质流和能量流，定量 制，实现子系统的局部优化与大系统的全局优化的有 地描述各因素对吨钢能耗的影响，从而寻找出能耗瓶 序结构，并以钢铁企业为对象进行应用分析 颈，给出针对性的节能方案或措施.贺东风和梁超2] 纵观相关研究进展，钢铁制造流程中物质流和能 根据单工序的热平衡和拥平衡分析，考虑能级和经济 量流研究关注的重点是铁素物质流的生产计划调度问 性，给出综合热效率、㶲效率、能级匹配和经济成本的 题及伴随的能源利用效率问题，采用与流程运行控制 钢铁企业能量利用的评价指标体系：构建优化的“能 相关的优化方法和与能耗计算相关的解析方法，从分 量流网络”，为能源转换功能的发挥和企业系统节能 别关注铁素物质流和能量流的运行到关注物质流能量 提供了思路.汪鹏等[24]通过对钢铁生命周期的物质 流的协同运行，从关注冶金学科自身发展向集成协同 流及能耗、排放的分析，构建钢铁生产、加工、消费及折 学、系统学等新兴交叉学科理论方法进展，其目的是在 旧的全生命周期模型和基于人均钢铁存储量的产量预 满足生产目标的前提下，通过物质流能量流的协同运 测模型，对基准、折旧寿命延长、废钢回收率提升、能源 行，实现物质能量等资源的合理配置，在节能、降耗、经 效率提高及综合五种情景的水平进行预测. 济和减排情况下合理有效进行钢铁生产 国外关于钢铁制造流程物质流能量流的相关研究 因此，在当前智能制造和绿色制造的发展趋势下， 主要集中在节能环保领域.Bisiof2s]采用㶲分析对钢铁 如何加深对钢铁制造流程整体及物质流和能量流协同 生产进行能效分析，探寻提高能源和资源利用效率的 的认识，开展有针对性的更深入的研究工作极为重要. 方法：Michaelis等[2o]将拥分析方法结合钢铁生命周期 我们将基于对钢铁企业制造流程物质流和能量流的特 评估建模，指出工艺改进和增加能源回收利用的必要 征及主要信息化系统的分析，研究在企业的信息化系 性；Andersen和Hyman2]基于美国钢铁工业的大量生 统架构下，如何从制造流程和制造单元的不同层面，来 产数据建立终端能源消耗模型和工序物质消耗模型， 寻求钢铁企业物质流和能量流的协同优化方法，探索 为钢铁生产提高效率和减少排放提供思路：Larsson 推进钢铁智能制造的发展思路 等[2]通过分析炼钢厂整体与单元之间消耗及排放的 2钢铁制造流程的物质流、能量流与钢铁企 关系，构建最小能耗与废物排放的过程集成模型，为促 进节能环保提供决策帮助：Yellishetty等[2]使用物质 业主要信息化系统 流分析方法对铁矿石使用和钢产量进行分析，对未来 2.1基于钢铁制造流程的物质流和能量流 钢产量的走势进行预测，并指出节能减排的方向 现代钢铁联合企业是典型的集铁、煤化工、钢铁制 钢铁制造流程中物质流和能量流作为复杂系统的 造及深加工于一体的复杂过程系统.我国钢铁制造多 重要组成部分，其系统的整体优化应以协同学为理论 以长流程工艺为主，物质流在炼铁前进行资源预加工 基础.协同学(synergetics)是由德国著名物理学家赫 (烧结、球团等炼铁原料的制备和焦炭的制备)，经高 尔曼·哈肯(H.Haken)于20世纪70年代初提出 炉冶炼得到高温铁水：铁水经铁钢界面的运输（火车、 的∞.它以系统论、信息论、控制论等理论为基础，采 汽车或天车)到达炼钢厂，经铁水预处理后送往转炉 用动力学和统计学相结合的分析方法，发现复杂系统 进行氧化冶炼（若是短流程则为废钢经电炉炼钢）变 中各组成要素或子系统之间在操作运行过程中的合 成一定品质的钢水：再经二次精炼(LF、RH、CAS等) 作、协调、同步等协同机制，最后实现整个系统的有序 得到洁净的、具有特定成分和温度的合格钢水；高温钢 化3.近年来，协同学在复杂系统的资源优化配置过 水经连铸过程凝固成型（连铸成型已占98%以上[]） 程中得到了较为广泛的应用].徐浩鸣[3]将协同学 转变为具有特定形状和规格的钢坯（或模铸的钢锭）； 应用于制造业产业组织，指导制造企业信息化建设：包 钢坯可再根据工艺要求经加热炉升温改变其热加工性 北方等[将协同应用于产品定制，以实现资源优化配能，并通过相应的轧制处理（热轧和冷轧）最终得到合 置.针对物流业与制造业的发展，孙鹏[]运用协同学 格的钢铁产品.在整个系统的动态运行过程中，物质 等复杂系统理论，分析现代物流业与制造业协同演化 流和能量流在钢铁制造过程中既相互耦合，又自成体 的动态规律，并构建协同发展机制：彭本红[36运用协 系，两者时分时合，既存在以铁素流为主的物质流网 同学序参量演化过程探讨物流业与制造业的演化机 络，也存在各种能源介质的能量流网络，物质流和能量 理，指出现代物流业与先进制造业的共生与协同是产 流在沿流程网络主要工序的工位设备即制造单元上发 业演化的必然结果：郑东等运用协同学原理与方法 生网络的交互和耦合郑 忠等: 钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 度模型,并提出拉格朗日松弛算法和差分进化算计进 行求解,为实现铁素物质流有序、高效的生产提供优化 的调度方案. 王刚等[22] 针对钢铁生产中物质流和能 量流同时影响能耗的问题,建立能耗瓶颈诊断模型,分 别用钢比系数和工序能耗衡量物质流和能量流,定量 地描述各因素对吨钢能耗的影响,从而寻找出能耗瓶 颈,给出针对性的节能方案或措施. 贺东风和梁超[23] 根据单工序的热平衡和 平衡分析,考虑能级和经济 性,给出综合热效率、 效率、能级匹配和经济成本的 钢铁企业能量利用的评价指标体系;构建优化的“能 量流网络冶,为能源转换功能的发挥和企业系统节能 提供了思路. 汪鹏等[24] 通过对钢铁生命周期的物质 流及能耗、排放的分析,构建钢铁生产、加工、消费及折 旧的全生命周期模型和基于人均钢铁存储量的产量预 测模型,对基准、折旧寿命延长、废钢回收率提升、能源 效率提高及综合五种情景的水平进行预测. 国外关于钢铁制造流程物质流能量流的相关研究 主要集中在节能环保领域. Bisio [25]采用 分析对钢铁 生产进行能效分析,探寻提高能源和资源利用效率的 方法;Michaelis 等[26]将 分析方法结合钢铁生命周期 评估建模,指出工艺改进和增加能源回收利用的必要 性;Andersen 和 Hyman [27]基于美国钢铁工业的大量生 产数据建立终端能源消耗模型和工序物质消耗模型, 为钢铁生产提高效率和减少排放提供思路;Larsson 等[28]通过分析炼钢厂整体与单元之间消耗及排放的 关系,构建最小能耗与废物排放的过程集成模型,为促 进节能环保提供决策帮助;Yellishetty 等[29] 使用物质 流分析方法对铁矿石使用和钢产量进行分析,对未来 钢产量的走势进行预测,并指出节能减排的方向. 钢铁制造流程中物质流和能量流作为复杂系统的 重要组成部分,其系统的整体优化应以协同学为理论 基础. 协同学( synergetics) 是由德国著名物理学家赫 尔曼·哈肯 ( H郾 Haken) 于 20 世纪 70 年 代 初 提 出 的[30] . 它以系统论、信息论、控制论等理论为基础,采 用动力学和统计学相结合的分析方法,发现复杂系统 中各组成要素或子系统之间在操作运行过程中的合 作、协调、同步等协同机制,最后实现整个系统的有序 化[31] . 近年来,协同学在复杂系统的资源优化配置过 程中得到了较为广泛的应用[32] . 徐浩鸣[33] 将协同学 应用于制造业产业组织,指导制造企业信息化建设;包 北方等[34]将协同应用于产品定制,以实现资源优化配 置. 针对物流业与制造业的发展,孙鹏[35] 运用协同学 等复杂系统理论,分析现代物流业与制造业协同演化 的动态规律,并构建协同发展机制;彭本红[36] 运用协 同学序参量演化过程探讨物流业与制造业的演化机 理,指出现代物流业与先进制造业的共生与协同是产 业演化的必然结果;郑东等[37]运用协同学原理与方法 研究汽车制造商和供应商供需关系,可为汽车供应链 优化提供决策辅助. 针对流程工业过程系统中的物 质、能量和信息的流动问题,龙妍[38]采用控制论、协同 学、熵理论等,研究物质流、能量流和信息流的协同机 制,实现子系统的局部优化与大系统的全局优化的有 序结构,并以钢铁企业为对象进行应用分析. 纵观相关研究进展,钢铁制造流程中物质流和能 量流研究关注的重点是铁素物质流的生产计划调度问 题及伴随的能源利用效率问题,采用与流程运行控制 相关的优化方法和与能耗计算相关的解析方法,从分 别关注铁素物质流和能量流的运行到关注物质流能量 流的协同运行,从关注冶金学科自身发展向集成协同 学、系统学等新兴交叉学科理论方法进展,其目的是在 满足生产目标的前提下,通过物质流能量流的协同运 行,实现物质能量等资源的合理配置,在节能、降耗、经 济和减排情况下合理有效进行钢铁生产. 因此,在当前智能制造和绿色制造的发展趋势下, 如何加深对钢铁制造流程整体及物质流和能量流协同 的认识,开展有针对性的更深入的研究工作极为重要. 我们将基于对钢铁企业制造流程物质流和能量流的特 征及主要信息化系统的分析,研究在企业的信息化系 统架构下,如何从制造流程和制造单元的不同层面,来 寻求钢铁企业物质流和能量流的协同优化方法,探索 推进钢铁智能制造的发展思路. 2 钢铁制造流程的物质流、能量流与钢铁企 业主要信息化系统 2郾 1 基于钢铁制造流程的物质流和能量流 现代钢铁联合企业是典型的集铁、煤化工、钢铁制 造及深加工于一体的复杂过程系统. 我国钢铁制造多 以长流程工艺为主,物质流在炼铁前进行资源预加工 (烧结、球团等炼铁原料的制备和焦炭的制备),经高 炉冶炼得到高温铁水;铁水经铁钢界面的运输(火车、 汽车或天车) 到达炼钢厂,经铁水预处理后送往转炉 进行氧化冶炼(若是短流程则为废钢经电炉炼钢) 变 成一定品质的钢水;再经二次精炼( LF、RH、CAS 等) 得到洁净的、具有特定成分和温度的合格钢水;高温钢 水经连铸过程凝固成型(连铸成型已占 98% 以上[39] ) 转变为具有特定形状和规格的钢坯(或模铸的钢锭); 钢坯可再根据工艺要求经加热炉升温改变其热加工性 能,并通过相应的轧制处理(热轧和冷轧)最终得到合 格的钢铁产品. 在整个系统的动态运行过程中,物质 流和能量流在钢铁制造过程中既相互耦合,又自成体 系,两者时分时合,既存在以铁素流为主的物质流网 络,也存在各种能源介质的能量流网络,物质流和能量 流在沿流程网络主要工序的工位设备即制造单元上发 生网络的交互和耦合. ·117·