2023年, 第58卷, 第11期　刊出日期：2023-11-15

  

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综合论述
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  冶金流程工程学研究及其发展

  徐安军, 崔志峰

  钢铁. 2023, 58(11): 2-9.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230379

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  经过近30年的研究探索,一个全新的冶金学分支——冶金流程工程学形成了较完整的理论体系,为冶金制造流程的整体优化提供重要理论基础。有别于微观基础冶金学和专业工艺冶金学,冶金流程工程学侧重于冶金制造流程整体运行规律的研究,是宏观动态冶金学。为系统梳理该学科的发展历程及其研究成果,以时间线为轴,将冶金流程工程学的发展历程分为学科萌芽、理论创立、实践发展以及完整理论系统等4大阶段,并整理了各阶段的标志性事件。冶金流程工程学已成功应用于诸多工程实践案例中,取得理想的应用效果。如冶金流程工程学理论指导了首钢京唐“新一代”可循环钢铁制造流程的设计、钢铁制造流程绿色化与智能化协同理论的研究、工序衔接匹配技术的开发、全流程质能协同优化调配系统的构建等,并且助力钢铁工业低碳化发展转型。除工程应用外,冶金流程工程学在理论研究方面也是硕果累累,出版学科标志性著作6篇,开展学术会议近10场,支撑国家重点研发计划项目、国家自然科学基金数十项,并被广大冶金院校列为核心专业课程。当前正值中国钢铁工业转型升级和高质量发展的关键时期,冶金流程工程学的发展不仅完善了冶金学学科体系,更指导了钢铁企业流程优化及设计相关工作,为中国钢铁工业绿色化、智能化、品牌化发展引领新方向。
冶金流程工程
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  基于冶金流程工程学的钢铁流程工程设计

  王新东

  钢铁. 2023, 58(11): 10-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230355

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  钢铁行业高质量发展已成为行业共识,而绿色化、智能化则是驱动钢铁工业转型升级、实现高质量发展的重要引擎。冶金流程工程学以冶金制造流程为研究对象,用于指导钢厂动态精准设计、流程结构优化、组织有序高效运行,是推动钢铁绿色化、智能化高质量发展的重要理论支撑。论文回顾了冶金流程工程学的整个发展过程,阐述了其对现代钢铁制造流程功能拓展的推动作用,论证了从工程设计视角贯彻执行冶金流程工程学的重要意义,提出设计是钢铁工程的先导和核心,全面贯彻冶金流程工程学应设计先行的论点。探讨了基于冶金流程工程学的钢铁工程设计的思想和路径,指出工程设计不是孤立地选择新技术,必须克服传统的静态、局部的单体技术设计方法,从动态-协同的总体目标出发,使各单元技术形成一个动态-有序、连续-紧凑的工程整体集成效应。详细介绍了唐钢新区在规划设计阶段,充分运用冶金流程工程学理论,在钢铁工程的顶层设计、制造流程静态结构、动态精准设计、流程网络优化、设计管理等方面的实践,以及通过钢铁整个流程时间-空间-物质-能量-信息五维动态运行甘特图,及早解决影响全流程高效顺行的堵点或限制环节,实现了产线连续紧凑、动态有序和产品质量窄窗口稳定高效运行。
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  新一代钢铁制造流程绿色化高效运行实践探索

  杨春政, 董相娟, 赵长亮, 王飞

  钢铁. 2023, 58(11): 19-31.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230402

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  首钢京唐钢铁厂是以冶金流程工程学理论为指导,采用一系列先进技术构建的具有“动态-有序、协同-连续”特征的新一代钢铁制造流程。十余年的运行实践表明,新一代钢铁流程构建简捷顺畅的流程网络更有利于物质流高效快捷流动、能量流最小耗散、信息流全面贯通。高炉通过采用50%以上高比例球团冶炼、高富氧高风温、喷煤降焦、烧结降碳减排综合技术等措施,实现长周期绿色低碳高效顺稳运行,高炉利用系数达到2.52 t/(m³·d)、焦比达到264.1 kg/t,煤比达到203.2 kg/t。通过高炉-转炉界面采用铁水罐多功能化技术并实施智能化管控,实现月均铁水温降小于95 ℃;1 400 ℃以上的高温铁水经过KR铁水脱硫预处理后w(S)不大于0.002 0%的比例超过95%。炼钢厂借助洁净钢平台先进的流程网络,采用专线化生产组织,通过一系列工艺技术提升,使转炉全炉役吹炼终点熔池平均碳氧积降低至0.001 47,2022年全年转炉平均出钢温度降低至1 641 ℃,生产IF钢中间包钢水全氧质量分数2022年全年平均低至0.001 5%,连铸低碳钢拉速达到2.0 m/min以上,实现了高品质洁净钢薄板持续稳定、高效、绿色化生产。通过高效能源转换、回收、利用技术,污染物及固体废弃物源头减量、高效处理、资源化再利用技术,实现了流程能效大幅度提升、CO₂减排,全流程吨钢新水消耗仅为2.62 m³(其中海水淡化水占66%),气体污染物排放全面达到超低排放水平、固体废弃物及水实现近零排放。
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  钢铁制造流程物质流与能量流表征与协同评价

  贺东风, 胡正彪

  钢铁. 2023, 58(11): 32-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230353

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  钢铁制造流程中的物质流是在能量流的驱动和作用下,按设定的“程序”,沿着特定的“流程网络”作动态-有序的运行。在实际生产过程中,物质流和能量流相互耦合、相互影响、相互制约,共同维持正常的生产。因此,物质流与能量流定量化表征和协同评价是实现物质流和能量流协同的关键。利用图论对钢铁制造流程物质流和能量流的运行结构进行抽象化描述,并引入邻接矩阵和权矩阵对物质流和能量流运行特性进行定量化表征,包括物质流运行工艺路径,不同工序物质流的输入-输出关系,以及能量流运行结构和设备之间的相互关系等。另外,将复杂的钢铁大系统划分为物质流和能量流2个子系统,提出钢铁制造流程序参量的特征,确定连续化程度等3个参数为物质流子系统的序参量,吨钢综合能耗等5个参数为能量流子系统序参量,利用序参量的功效值和熵权法计算序参量和子系统的权重,从而计算不同子系统的有序度和总系统协同度。最后,以某钢铁企业为例进行分析,结果表明,该企业在T1～T6时段,能量流子系统对系统协同起主导地位。其中,T1时段系统的协同度最小,为0.266,T4时段系统的协同度最大,为0.708,整个系统的协同度是2个子系统共同作用的结果。
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  基于冶金流程学“程序”的钢铁制造运行管控技术

  王永周, 郑忠, 张诗雨, 高小强

  钢铁. 2023, 58(11): 43-51.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230376

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  智能钢厂是实现绿色低碳钢铁制造目标和钢铁工业高质量发展的必然路径。冶金流程工程学的提出和发展,已成为指导钢铁业高质量可持续发展的重要理论基石。为了达成智能钢厂低碳高效的生产目标,实现资源/能源的优化配置,从冶金流程工程学提出的钢铁制造流程动态运行物理本质出发,开展制造流程“运行程序”相应的智能管控技术研发,力求通过生产计划调度技术实现对炼钢-连铸-热轧等制造流程的“运行程序”控制,以适应市场需求下订单驱动的钢铁制造模式,这是促使生产过程有序、高效低成本运行的调控手段,即生产计划调度指令决定了钢铁企业设备利用率、生产效率和能源利用效率。讨论了以生产计划调度为核心的钢铁制造流程的运行管控技术,并给出了实践案例,针对中厚板组板及板坯一体化设计问题,实现了生产订单的组合优化,有效提升了系统成材率,为规模化钢铁生产满足个性化多品种小批量市场需求创造了条件;一体化生产批量计划相比于分工序编制生产批量计划能够降低余材率1.27%,提升炼钢-连铸-热轧区段物质流运行管控效果;基于炼钢厂生产调度和动态调度的物质流运行优化,可以缩短生产流程总时间10%,降低转炉工序用氧波动49.32%,改善了物质流和能量流的协同运行效果。因此,通过生产计划调度的“运行程序”控制技术,引导制造流程系统朝着动态-有序、协同-连续的运行状态发展,进而有利于实现钢铁生产的高效低成本优化运行。
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  唐钢新区高炉-转炉区段物质流温度解析

  李帅兵, 韩伟刚, 马新光, 李建生, 徐政, 杨广庆

  钢铁. 2023, 58(11): 52-60.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230083

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  为了研究影响唐钢新区高炉-转炉区段铁水温降及其波动性的原因,对唐钢新区高炉-转炉区段铁水罐运行过程进行解析,并统计分析了高炉出铁过程中和炼钢厂KR进站的铁水温度分布规律。通过对唐钢高炉-转炉区段铁水沟内和铁水罐内的铁水温度以及铁水罐空罐内衬温度进行现场实际测温,研究其温降过程及温降原因,为唐钢新区高炉-转炉区段铁水温降优化提供具体的理论指导。结果表明,铁水沟内的铁水温度在生产过程中的变化具有周期性,堵口后沟内残铁温度以0.8~0.9 ℃/min的速率降低,开口后在60 min内逐渐回升并稳定在1 520 ℃左右。高炉出铁过程中的铁水温降占高炉-转炉区段铁水总温降的主要部分,尾罐对高炉-转炉区段铁水温降具有重要影响,尾罐和非尾罐的平均铁水温度相差49 ℃。兑铁结束后的铁水罐空罐在前20 min温降幅度较大,罐龄后期的铁水罐内衬蓄热能力较罐龄前期略差,且内衬的上中下部因铁水侵蚀变得不均匀,相同空罐时间,罐龄后期铁水罐内衬温降幅度更大。唐钢新区应采用减小高炉出铁量波动、优化炉下配罐模式、尾罐及时转场处理、加强铁水罐保温、设置在线铁水罐清渣位等措施,减少高炉-转炉区段铁水温降及其波动。
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  炼钢区段推进层流专线化运行模式的思考与实践

  曾加庆, 张军国, 林路, 段云祥, 贺庆, 崔怀周, 戴雨翔

  钢铁. 2023, 58(11): 61-68.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230332

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  炼钢区段内前、后工序链接时无规律的“时序错位”,造成不同工序间的无效等待或频繁被动改变工序链接方式,这些随机发生的事件如不能受控,或仍然依靠人为经验调控,势必造成流程运行效率偏低、耗散较大、过程稳定性较差、产品质量波动和难以实现智能化调控等问题。对此,开展高炉-转炉流程炼钢区段层流专线化协同运行的系统分析与实践,为炼钢区段实现层流专线化协同运行提供有力支撑。结果表明,从钢铁流程物理侧开展工艺路径优化是钢铁流程实现智能化调控的重要支撑,也是流程智能化提升的前提和必由之路。按照专线化生产组织模式是对以往看似“可靠保险”、实际是复杂多变和低效的工艺路径进行简约优化,通过专线化生产组织和规范铁素物质流输运方式为手段,收窄各工序作业时间和工序间传搁时间,使炼钢区段具备各工序内“准等节奏”匹配和前后工序间“齐步走”的运行节律,满足连铸工序多炉连浇的时序要求,这是炼钢区段层流专线化运行的重要机制。经某厂采用2条专线化层流工艺路径初步实践,各工序符合专线化的链接比例由2021年12月的41.23%提高到2022年6月的66.27%,工序间传搁时间和炼钢区段总作业时间分别由2021年12月的87.9和253.9 min缩短至78.2和210.7 min,大致相当于增加了1炉钢的产量,生产效率提升效果显著。
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  炼钢厂生产调度排程的建模方法研究进展评述

  郑忠, 张诗雨, 王永周, 张开, 张开天, 郭亮, 高小强

  钢铁. 2023, 58(11): 69-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230372

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  炼钢厂生产调度是钢铁制造执行层车间级生产运行管控的核心技术。在以市场合同驱动的生产模式下,钢厂生产调度是多品种小规模订单与大规模制造执行之间矛盾协调的关键难点之一。针对炼钢厂生产调度问题,对涉及的制造流程、调度问题基本特征、数学建模方法、优化目标和约束条件等进行了归纳分析,重点围绕炼钢厂生产调度的建模技术展开讨论。在介绍钢厂调度主流的数学规划和系统仿真建模方法特点和研究进展的基础上,对相关商业软件在钢厂调度排程领域的应用情况,以及企业相关技术现状进行了讨论。尽管近些年,相关研究受到广泛的关注,取得了明显进展,但企业在线稳定应用尚难以见到,主要在于钢厂调度问题本身的复杂性,以及对问题认识还不够深入,导致建模假设的理想化,使得模型在处理大规模复杂钢厂调度问题时的方法过于简化、不能适应现实多场景的变化,存在应用局限。物联网、5G、工业互联网等新一代信息技术和人工智能技术等为制造业智能化发展提供了新技术和手段,通过对新技术在制造业调度领域的应用可能性的了解与分析,对钢厂生产调度领域技术发展进行了展望。感知、认知、决策和执行的闭环过程是智能制造的本质,为此,对信息技术发展背景下的钢厂生产调度领域重点需关注的问题进行了思考和展望。未来将借助IoT技术实现调度信息的实时感知、5G技术实现信息快速交互,工业互联网支撑钢厂生产调度系统的智能决策与优化控制,人工智能技术协助进行数据驱动的调度策略决策和关键参数优化,探索人工调度经验知识的规范表达与科学应用,以及基于人机协同的复杂钢厂的生产调度。该构想将为突破现有方法问题描述难、模型系统适应性差的难点和痛点问题提供新的解决方案。
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  不锈钢脱硫过程的因素分析和过程优化

  任英, 张立峰

  钢铁. 2023, 58(11): 84-89.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230401

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  通过工业试验对304不锈钢生产全流程进行了调研,分析了AOD开始、AOD脱碳结束、AOD结束和LF结束时钢中的硫含量的变化规律。首先通过机器学习确定了不同生产流程与最终硫含量的相关性,得到LF精炼过程对脱硫影响更大,确定了304不锈钢脱硫的关键优化流程为LF精炼。通过FactSage宏命令对精炼渣与钢液反应过程进行了热力学计算,随着LF精炼渣碱度的增加,LF精炼渣的硫的分配比明显增加,最终计算得到钢中硫含量降低。同时,随着渣中氧化铝质量分数从10%增加至30%,钢渣间硫的分配比降低,钢中硫含量增加。提高精炼渣碱度和降低Al₂O₃含量有利于降低304不锈钢中的硫含量,提升渣钢之间硫的分配比。建立了LF精炼过程中精炼渣与钢液反应动力学模型,该模型将LF精炼过程的渣钢化学反应分成了3个反应步骤,第一步为钢液向钢边界层中传质,第二步为渣层向渣边界层中传质,第三步为渣边界层和钢边界层内发生界面化学反应且达到平衡。计算确定了提高精炼渣碱度有利于降低钢中硫含量和提升脱硫速率,反应后硫含量随初始硫含量的增加而增加。提升吹氩搅拌流量有利于提升反应速率,但是对硫含量影响较小。随着钢中初始硫质量分数从0.006%增加至0.012%,反应后钢中硫含量也随之增加,钢中初始硫含量对脱硫反应速率影响不大。
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  基于订单扰动的炼钢-连铸区段Q-learning遗传优化重调度模型

  陈虹志, 邵鑫, 刘青, 张江山, 高山

  钢铁. 2023, 58(11): 90-99.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230403

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  当今市场对钢铁产品的需求呈现多品种、小批量、多规格和高质量的特点,导致炼钢厂订单复杂,采用异钢种连浇技术能够有效提高连铸连浇炉次,减少完成合同所需要的浇次数量,提高生产连续性。受生产订单的驱动,炼钢-连铸区段常会因紧急订单的出现而干扰原有生产计划。根据紧急订单的钢种以及所需要的生产工艺与钢厂的产能、生产工艺、产品库存和原料库存等实际生产情况的匹配程度制定了应对策略,建立了以生产计划内最小总等待时间、最小总延期时间以及最小完工时间为优化目标的炼钢-连铸区段重调度模型,提出了基于Q-learning的改进遗传算法进行求解。采用某炼钢厂2种典型生产模式,即异钢种连浇层流生产模式和四炉对三机同钢种紊流生产模式进行模拟试验,结果表明所建模型能够有效解决订单扰动重调度问题,减少因紧急订单带来的生产计划内总等待时间的增加,减少生产计划的延期时间。通过求解最优排序问题来检验基于Q-learning改进的遗传算法的性能,相比经典遗传算法,基于Q-learning改进的遗传算法能够找到更符合优化目标的最优解,获得最优解的迭代次数更少,相比自适应遗传算法,基于Q-learning改进的遗传算法运行时间减少95.37%,以上结果表明基于Q-learning改进的遗传算法具有良好的求解性能。
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  KR工序时间-事件解析与快节奏运行分析

  林路, 曾加庆, 张军国, 段云祥, 贺庆, 崔怀周, 戴雨翔

  钢铁. 2023, 58(11): 100-107.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230336

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  为了加快并稳定KR(Kambara Reactor)工序运行节奏,以满足与转炉快节奏相匹配的炼钢区段“一对一”专线生产要求,针对某钢厂KR工序作业周期偏长且波动大,KR深脱硫比例较低以及3座KR对应2座转炉时工序间节奏不匹配而带来的长程等待等问题,基于该厂KR工序工艺与装备情况,系统解析KR工序内时间-事件对应关系,分析了KR工序快节奏生产状况,制定KR高效稳定运行操作规则,与此同时建立了炼钢区段“一对一”层流运行条件下3座KR与2座转炉合理链接的框架规则,为炼钢区段专线化“一对一”层流运行生产提供有力支撑。研究结果表明,压缩出站前后等待时间、KR深脱硫在站处理时间以及提升KR深脱硫在站处理时间不大于30 min比例是KR脱硫装置深度挖潜的近期主要攻关方向,经过压缩工序内辅助时间和主操作时间实施,获得脱硫周期由优化前的59 min缩短至当前的35 min以内的效果;KR脱硫比例、深脱硫比例以及“开2备1”比例分别由2021年6月的45.9%、25.9%和0提高至当前的71.0%、46.3%和56.7%,优化效果明显;但受优质废钢资源等因素限制,未来KR工序将进一步提升深脱硫比例、定制KR工艺路径及加快生产节奏、提高扒渣深脱硫工艺路径下的“开2备1”组产比例,满足KR与转炉快节奏的匹配和“一对一”专线生产要求。
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  流视角下对钢铁智能制造的几点思考

  高小强

  钢铁. 2023, 58(11): 108-119.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230382

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  绿色化是钢铁制造的合需、低耗、低成本等众多目标中需要优先考虑的目标,钢铁智能制造是实现这些目标的重要手段,将视角从单元转向考虑物质流、能量流和信息流的系统视角是对钢铁制造流程系统的一次认知革命。运用复杂性科学和认知科学理论,从流的视角分析了钢铁制造流程系统的运动本质和智能在钢铁制造中的核心功能,得到对钢铁智能制造的一些认识。钢铁制造流程系统是一个由物质、能量、信息和流控资源在系统流域上形成的由物质流、能量流和信息流等共同作用的工程耗散结构。不同时空尺度下,系统呈现连续流或离散/连续混合流特征。系统可看作一个多层信息-物理共生系统,每层可有多个信息-物理子系统。同层子系统之间存在物质、能量和信息相互作用,系统和子系统之间存在信息相互作用。系统的运动本质是由价值目标吸引下,通过信息流导引、反馈和控制作用的能量流驱动的物质流运动过程。信息流的有序对于制造目标的实现极为关键。在钢铁智能制造中通过信息处理的有序来实现高效低成本的信息流有序是一个关键问题。钢铁智能制造中的信息系统宜采用感知层、记忆层、思维层、执行层4层架构,在感知层对数据可采用“用后即弃”策略。柔性指数可用于刻画单一物质流的柔性大小或节奏的均匀程度。计算试验表明,柔性指数越大,流的停留时间越短。
环保与能源
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  钢铁工业低碳化发展

  上官方钦, 殷瑞钰, 崔志峰, 倪冰, 李涛, 周继程, 郦秀萍

  钢铁. 2023, 58(11): 120-131.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230365

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  从钢铁制造流程动态运行的物理本质出发,论述了钢铁工业低碳化发展的物理本质——制造流程、供应链和服务链运行过程中耗散结构的合理构建和耗散过程的优化,认为钢铁工业低碳化发展是一个系统性命题,不仅要从具体的工序/装置来解决,更重要的是要从流程结构、流程功能、流程效率等方面来解决。进而,基于国内外钢铁行业CO₂排放现状的分析,构建了中国钢铁行业碳达峰与碳中和的情景分析模型,通过情景分析,量化分析了主要降碳措施的减排贡献,指出在钢铁行业实现碳达峰与碳中和的过程中,粗钢产量控制的累计减排贡献约为45%,有序、合理地利用废钢约占39%,氢还原技术约占9%,节能、“界面”技术、智能化等因素约占7%。同时,提出了中国钢铁行业低碳发展路线图的设想和碳达峰平台期、脱碳化、碳中和3个阶段的发展目标,并从资源、能源、生产制造流程脱碳化3个角度对未来钢铁行业的发展前景进行了展望,分析表明,到2060年,中国钢铁行业的铁矿石消耗量将有望减少75%,废钢的利用量将增加89%;煤炭消耗量将有望减少92%,电力消耗量的波动相对较小,氢气的用量将可能达到1 400万t/a;高炉-转炉长流程占比约为15%,全废钢电炉流程约为60%,氢还原-电炉流程约为25%。最后,提出了未来钢铁行业3类流程的设想,即高炉-转炉长流程、全废钢电炉流程和氢还原-电炉流程。
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  典型钢铁生产流程理论极限能耗与CO₂排放分析

  张琦, 籍杨梅, 李宇涛, 顾菁华, 张云龙

  钢铁. 2023, 58(11): 132-140.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230389

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  高炉-转炉流程是钢铁生产的主要流程,该流程也是典型的铁-煤化工过程,其物质、能源消耗和CO₂排放一直居高不下,在双碳目标下,钢铁生产流程节能与CO₂排放面临巨大压力和挑战。因此,以典型高炉-转炉长流程炼钢以及电弧炉短流程炼钢工艺为基础的极致能耗和CO₂排放的研究具有重要意义。围绕钢铁生产过程反应机理,采用热力学和热化学理论,对相应的生产工艺进行假设,基于实际的原料、燃料参数和反应条件,从工序和全流程的角度计算了典型钢铁生产过程的理论极限能耗和理论CO₂排放量,并剖析了其影响因素。结果表明,轧制过程为冷装料情况下,原料为全铁水时高炉-转炉长流程的理论极限能耗(以标准煤计)和CO₂排放为389.29 kg/t和 824.08 kg/t(以CO₂计);15%废钢比的条件下,高炉-转炉长流程的理论极限能耗(以标准煤计)和CO₂排放减少,为338.56 kg/t和681.30 kg/t(以CO₂计)。采用电炉短流程炼钢工艺时,钢铁生产过程的能耗进一步降低,如采用100%废钢时,短流程炼钢工艺的理论极限能耗(以标准煤计)和CO₂排放分别为72.76 kg/t和328.79 kg/t(以CO₂计);而当原料为DRI或铁水时,电炉炼钢工序的能耗减少,但不利于全流程能耗的降低。探讨了不同原料结构、冶炼工艺对全流程能耗和CO₂排放的影响,以期为钢铁生产流程极致能效、极限碳排放分析提供理论依据,从而挖掘典型钢铁生产流程节能降碳潜力,助力钢铁行业碳达峰碳中和目标实现。
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  钢铁企业炼铁系统㶲损优化及影响因素分析

  陈宝奇, 那洪明, 袁喻兴, 王维辰, 杜涛

  钢铁. 2023, 58(11): 141-149.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230361

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  钢铁工业是典型的高能耗行业。中国是世界上最大的钢铁生产国,粗钢产量常年稳居世界首位。中国钢铁生产主要以高炉→转炉长流程为主,其中炼铁系统能耗占比巨大。减少炼铁系统的用能损失,提高炼铁系统的能源利用率,对中国钢铁工业节能减排的进一步发展有着重要意义。㶲分析法从能量的“量”和“质”角度揭示了能量中㶲的转移、损失、利用和贬损情况,便于挖掘节能潜力,推动系统的节能降耗工作。基于能量平衡、物质平衡和㶲平衡等理论,结合实际设备生产模式以及技术参数,建立了包含焦化、烧结、球团和高炉4个工序的炼铁系统㶲优化模型,以炼铁系统最小㶲损为目标对其进行优化,进而分析了影响炼铁系统㶲损降低的主要因素及其作用规律。结果表明,优化后炼铁系统的㶲损由优化前的5 474.89 MJ/t降低至4 775.84 MJ/t,降幅为12.77%,其中高炉工序贡献了45.91%的㶲损;系统因为工序内部㶲损降低而导致的直接节㶲量为202.98 MJ/t,因为铁比系数的改变而导致的间接节㶲量为496.08 MJ/t;降低炼焦煤水分、灰分,降低烧结生产的自返矿率和烧结机漏风率将有助于降低系统㶲损。提高烧结矿品位,提高高炉鼓风风温、富氧率,提高高炉喷吹煤量,提高炉料结构中的块矿比和球团矿比有助于降低系统㶲损。
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  协同处理钢厂固废工艺的物质流和能量流分析

  苗壮, 佘雪峰, 石建红, 王如意, 王静松, 薛庆国

  钢铁. 2023, 58(11): 150-162.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230120

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  为综合回收利用钢铁企业产生的固体废弃物,提出了一种多膛炉-转底炉-熔态电炉协同处理固废的工艺。基于质量和能量守恒定律,建立了物质流和能量流的解析模型,计算并分析了物质和能量在工艺流程中内部循环的潜在节能效果,考察了熔态电炉系统中不同金属化率的球团以及不同炉料结构对系统能效的影响规律,分析了不同指标参量下协同工艺的协同度变化。研究结果表明,焦油渣热解后的热解气及残渣(高碳)可分别用作燃气与还原剂进一步利用,热解1 t焦油渣产生高热值热解气和残渣分别为534 kg/t和466 kg/t。此外,对熔态电炉系统的炉料结构分析表明,随着金属化球团金属化率提高,熔态还原过程得到的渣量和二次锌粉量变化不大,产生的烟气量和吨铁耗电量呈线性下降趋势;随着入炉料中电炉粉尘生球团质量分数的增加,产生的烟气、炉渣、二次锌粉和吨铁耗电量分别呈现不同的线性增加,电炉粉尘生球团的原料占比由30%增长到80%,冷、热装料电耗差由相差200 kW·h/t缩小至65 kW·h/t。通过对协同工艺的协同度变化分析可得,在转底炉生产金属化球团的金属化率为80%,且金属化球团对铁水贡献率在40%时协同工艺系统的协同度最好,达到0.472。协同工艺的构建能够实现钢厂固废资源的梯级利用和高效回收,未来可进一步创造更高的社会价值和经济效益。