无缺陷铸坯生产技术－高温铸坯输送技术－铸坯直接高温热 装炉技术或直接轧制
控温－控轧－控冷技术
MIS控制技术
系统运行过程的组合优化 计算机集成制造系统（CIMS）
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• 钢铁冶炼工序的功能分布和组成 Functions in iron& steelmaking process
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1 冶金流程工程学概要/General outline of MPE
1.1 冶金—材料学科在科学认识上的层次性分析
1.2 冶金学科发展的背景
1.3 冶金流程工程学
1.4 钢铁制造流程的解析与集成 1.5 钢铁制造流程的多维物质控制 1.6 钢铁制造过程系统的运行动力学 1.7 钢厂总图布置
研究尺度 原子/分子 场域/装置 流程/复杂 系统
白箱 原子/分子 场域/装置 流程/工序 关系
黑箱 系统背景 分子/流程 分子/场域
● 基础科学 — 主要解决分子、原子尺度上的问题； ● 技术科学 — 主要解决工序、装置、场域尺度上的问题； ● 工程科学 — 主要解决制造流程整体尺度、层次和流程中工序/装置之间关 系的衔接匹配、优化问题。 不同层次科学的研究目标虽有分工，研究方法在某些方面却有类似之处， 都是白箱/黑箱法。然而，在实现信息调控方面是有层次性区别的。
——投资方向判断；
——投资顺序研究、分析； ——单位产品的投资强度的优化；
——系统的总投资额和启动投资额的分析和调节；
——投资时机及时间效益的分析； ——风险分析和盈亏平衡点的评估；
——融资机制和方式的分析、研究。
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1.3.5 冶金流程工程学的研究内容和方法/ Contents and methods of MPE
冶金流程工程学是宏观层次上的工程科学，主要研究冶 金制造流程的物理本质、结构和整体行为。旨在弄清楚：与 物质制造过程（流程）相关的物质（和能量）流动与储存的 驱动力；从资源的获得开始直到产品的产出、使用、消费、 回收的循环过程；制造（生产）流程中所涉及的有关的功能 -结构-效率问题，空间和平面布置，时间和时序安排与控制， 排放（或再循环）控制和优化等一系列知识。其本质和内涵 属于冶金学科、金属材料学科而不是系统学科。
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•钢铁制造过程中工序功能组合优化/Integration and optimization of
working procedure functions 区段过程组合优化
炼铁－烧结（球团）－焦化的组合工程
铁水预处理－转炉－二次冶金－连铸的组合优化车间 废钢预热－电炉－二次冶金－连铸的组合优化车间
主要内容
Contents
冶金流程工程学概要
Introduction on Metallurgical Process Engineering (MPE)
炼钢厂系统的运行控制
Running Control on Steelmaking Workshop
案例1：LF对中小转炉流程运行的影响研究
Case 1: The Influence of LF on production of the medium and small sized converters process
案例2：转炉炼钢厂运行控制研究
Case 2 : Research on Running Control of BOF Steelmaking Plant
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冶金流程工程学的研究内容，包括钢铁冶金生产 制造流程整体以及单元工序和装置的结构-功能， 以促进冶金生产流程中物质流、能量流、信息流 效率的提高，甚至扩展到过程时间、空间的优化。 冶金生产流程中所包涵的某一操作、某一装置、 某一区段过程，甚至整个生产流程的结构-功能， 从技术发展的历史来看，往往经历了从简单到复 杂再回归到简化的发展过程。当然，这种重新简 化是流程整体结构有序化程度提高以后才出现的 简化，而不同于原始的简单和无序化。
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冶金流程工程学研究的基本途径是对流程与流 程结构的物理本质进行总体分析与描述，对整体 流程进行解析与集成，从某种典型的“特定”研 究到一般的“普适”研究。当然，还需要用整体 论与还原论相结合的方法。
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能源转换 功能 冶金材料制
社会废弃物
钢 铁 制 造 可持续发展
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图1 高炉-转炉-连铸-轧制制造流程图
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பைடு நூலகம்
冶金—金属材料学科在科学认识上的层次性分析
表1
科学性质分 类 基础科学 技术科学 工程科学
钢铁生产工艺流程在科学认识上层次性分析
研究方法 层次 微观 中(介)观 整体/系统 控制 -/PLC PLC/MIS MIS/CIMS
表1
工序 任务 还原增碳 脱 碳 脱 硫 脱 磷 脱 硅 升 温 脱 氧 脱 气 除夹杂 合金化 均匀化
冶金器
节能器
7、轧钢 Rolling
优化精炼器 炼钢炉－连铸机作业缓冲 协调器 生产效率、效益倍增器
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连续形变器 组织性能控制器
多层次附加处理器
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•钢铁制造过程中工序功能组合优化/Integration and optimization of
working procedure functions 钢铁生产流程科技进步的特点之一：对工序功能解析、分解、优化的 基础上，将优化后的工序功能在工程上进行组合优化。 组合优化的基本步骤： 单体组合优化 干熄焦（CDQ） 高炉炉顶余压发电（TRT） 高炉提高一代炉龄的年限 转炉提高炉龄 转炉复合吹炼 轧钢加热炉综合节能技术 以计算机为核心的自动控制与各单体工艺装备相结合的基础自 动化 区段过程组合优化 系统运行过程的组合优化
轧钢工序——形变过程中压缩比最小化，在表面质量、尺寸精度、 组织和性能控制（包括非再结晶轧制）优化基础上的连续化和高速化；
最后归结到产品结构和工艺流程之间的互相适应和优化，分别形成 不同类型的板材生产流程、长材生产流程、管材生产流程，并体现为相 应的合理经济规模。
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（4）决策与投资——以增强市场竞争力和可持续发展为目标，分析、 判断投资方向，进行正确决策，它将影响的因素有： ——产业（或企业）布局及其与市场、资源、能源、环境的关 系；
造功能
处理功能
市场竞争力
流 程 资源、能源可供性
图5 钢铁制造流程的关联度和渗透力
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钢铁制造过程工程
钢 铁 制 造 流 程 多 维 物 流 管 制
调 控 策 略
方法
图6
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钢铁制造过程工程研究的主要内容
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1.4 钢铁制造流程的解析与集成/Analysis and integration
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从具体工艺技术上看，流程的基本原理不变，但工程技术的表现形 式发生了巨变，具体表现为： 炼铁工序——原料处理、还原过程与能源转换相结合； 炼钢工序——炼钢工艺过程功能的解析和优化集成，连续高效地生 产洁净钢水； 凝固成型工序 —— 凝固过程的高速化（远离平衡凝固）、近终型 （成型功能强化），是钢铁制造流程连续化和紧凑化的核心工序；
冶金流程工程学及其应用
Theory and Application of Metallurgical Process Engineering
LIU Qing , TANG Haiyan
School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB April, 2012 Email:qliu@ tanghaiyan@
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（3）工程与设计——从战略上看，为获得新一代生产力的制造
流程工程设计，其指导原则应是： 钢厂模式的选择及其工艺流程的系统匹配和优化是核心问
题，钢厂模式应由“万能”产品型向“专业化、系列化、 相关化”产品型发展，对于不同条件的工厂设计而言：
——新建系统：主要是工厂模式的选择和流程系统的优化； ——老厂改造：主要是工厂结构优化的取向，并协调好各 区段优化和工厂整体优化的关系。
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加热炉
热轧机
5 角部加热 热轧机
6 缓冲加热 精轧机
7 卷取装置
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图4
高炉－转炉－轧机生产流程的演进
• 钢铁冶金工序功能的解析/Analysis of working procedure functions
1、高炉 BF 氧化物高效还原器/reduction device 液态金属初始发生器和连续供应器 能量转换器和控制器 冶金质量初始控制器 2、铁水预处理 HMP 冶金负荷和质量调节器 能量调节器 高炉－转炉过程连续作业的缓冲器 3、转炉 BOF 快速、高效脱碳器 快速升温器 能量转换和发生器 优化脱磷器
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• 钢铁冶金工序功能的解析/Analysis of working procedure functions
4、电炉 EAF 6、连续铸钢 CCM
废钢快速熔化器 适度脱磷、脱碳器 能量转换和控制器
5、二次冶金 Secondary Metallurgy
高效凝固器 优化成型器
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1.3.2 流程工程学/ Process Engineering
定义：由“制造流程”内涵所涉及的基础科学、技术科学、
工程科学问题及相关技术所组成的工程集成系统就是 流程工程学。流程工程学的发展，不仅需要基础科学、 技术科学方面知识的支撑，还需要相关工程科学、工 程技术的支持与交叉融合。 冶金流程工程学：