殷瑞鈺，張壽榮，張福明，頡建新

（1. 鋼鐵研究總院，北京 100081；2. 武漢鋼鐵公司，武漢 430080；3. 首鋼總公司，北京 100041；4. 北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043）

現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法研究

殷瑞鈺1，張壽榮2，張福明3，頡建新4

（1. 鋼鐵研究總院，北京 100081；2. 武漢鋼鐵公司，武漢 430080；3. 首鋼總公司，北京 100041；4. 北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043）

本文論述了鋼鐵材料在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的重要作用和地位，分析了中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，論述了科技進(jìn)步對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用和重要意義，指出了中國鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展方向。本文回顧了中國鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的發(fā)展演變歷程，分析了工程方法論與鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法的關(guān)系以及鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的地位和作用，闡述了鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)和現(xiàn)代鋼鐵制造流程的“三大功能”。從鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)、特征以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行的特征要素、設(shè)計(jì)方法的路徑、動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)耦合等方面，對(duì)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的問題進(jìn)行識(shí)別與定義。闡述了現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的概念設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的方法體系，以及現(xiàn)代鋼鐵制造流程的系統(tǒng)集成與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

鋼鐵冶金；流程制造；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；工程設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法

1 鋼鐵工業(yè)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1.1 鋼鐵材料的地位與作用

從全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和中國現(xiàn)代化進(jìn)程的角度分析，在可以預(yù)見時(shí)間范圍內(nèi)，鋼鐵仍然是世界上重要的基礎(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)材料，也是世界上消費(fèi)量最大的功能材料。鋼鐵由于資源豐富、成本相對(duì)低廉、材料性能優(yōu)越、易于加工且便于循環(huán)利用，因此，鋼鐵作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料的地位不會(huì)發(fā)生重大變化。鋼鐵仍是“必選材料”，同時(shí)也是可循環(huán)利用的材料，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中必需的基礎(chǔ)性材料［1，2］。

1.2 中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程與方向

從歷史發(fā)展來看，中國的工業(yè)化進(jìn)程落后于西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家。中國最早的近代新式鋼鐵企業(yè)“漢冶萍公司”于 1890年在漢陽興建，1893年投產(chǎn)，建廠時(shí)間與日本八幡制鐵所屬于同一時(shí)期。由于清政府的腐敗和中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，中國鋼鐵工業(yè)長期落后。1949年，中華人民共和國成立時(shí)，中國鋼產(chǎn)量僅為15.8萬t。新中國成立后，國家把優(yōu)先發(fā)展重工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)，而發(fā)展鋼鐵工業(yè)則是重中之重。發(fā)展鋼鐵工業(yè)必須建設(shè)鋼鐵廠，而建鋼鐵廠首先要開展鋼鐵廠設(shè)計(jì)。

新中國成立至20世紀(jì)80年代，是中國鋼鐵工業(yè)的奠定基礎(chǔ)的階段［3］，新中國成立后經(jīng)濟(jì)建設(shè)以發(fā)展重工業(yè)為中心，1959年中國年鋼產(chǎn)量達(dá)到1387萬t。1958年全國性的大煉鋼鐵開始，鋼鐵工業(yè)建設(shè)成為群眾運(yùn)動(dòng)。文化大革命期間，國民經(jīng)濟(jì)瀕臨崩潰的邊緣。由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)工作的口號(hào)是“以鋼為綱”，鋼鐵產(chǎn)量的趨勢是增長的，鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。新中國成立后經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主導(dǎo)思想是全面學(xué)習(xí)蘇聯(lián)，大量引進(jìn)蘇聯(lián)工程技術(shù)和管理技術(shù)。舊中國沒有中國自己的鋼鐵工業(yè)技術(shù)。通過引進(jìn)蘇聯(lián)的鋼鐵工業(yè)技術(shù)在中國鋼鐵廠的建設(shè)過程中，形成了中國鋼鐵工業(yè)的技術(shù)隊(duì)伍，1953年建立了中國鋼鐵工業(yè)的設(shè)計(jì)院?！拔母铩逼陂g新增的許多鋼鐵項(xiàng)目是中國科技人員獨(dú)立設(shè)計(jì)完成的?？梢哉J(rèn)為，在學(xué)習(xí)蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國鋼鐵工業(yè)設(shè)計(jì)力量已基本形成。

20世紀(jì)70～80年代，中國改革開放以后，開始寶鋼工程的建設(shè)，由日本新日鐵公司主要承擔(dān)項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)和主要設(shè)備供貨，是項(xiàng)目的技術(shù)總負(fù)責(zé)方。寶鋼鋼鐵聯(lián)合項(xiàng)目的全面引進(jìn)，對(duì)推進(jìn)中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展起了重大作用。此前的技術(shù)引進(jìn)以單項(xiàng)技術(shù)和部分專業(yè)技術(shù)引進(jìn)為主，設(shè)備引進(jìn)以國內(nèi)不能制造的部分為主，基本以引進(jìn)硬件為主，對(duì)軟件引進(jìn)重視不夠。寶鋼工程的全面引進(jìn)，包括硬件和軟件，為中國學(xué)習(xí)國外鋼鐵工程的設(shè)計(jì)提供了難得的機(jī)遇。寶鋼鋼鐵聯(lián)合企業(yè)采用的技術(shù)屬于國際20世紀(jì)70～80年代水平，比以前引進(jìn)的蘇聯(lián)技術(shù)要領(lǐng)先約20年，大大提高了中國鋼鐵工業(yè)的總體水平。

20世紀(jì)80年代以后，中國地方鋼鐵企業(yè)取得了很大發(fā)展。不僅生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，在技術(shù)方面已趕上或接近重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)水平。應(yīng)當(dāng)肯定，寶鋼引進(jìn)技術(shù)的消化吸收在地方鋼鐵企業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重大作用。

長期以來，鋼鐵技術(shù)的引進(jìn)均以專項(xiàng)技術(shù)引進(jìn)方式進(jìn)行。寶鋼工程的建設(shè)，使中國鋼鐵界在專項(xiàng)技術(shù)消化吸收基礎(chǔ)上逐漸形成對(duì)當(dāng)代鋼鐵工業(yè)技術(shù)的整體理解。鋼鐵工業(yè)屬于流程工業(yè)，對(duì)流程工業(yè)認(rèn)識(shí)的不斷加深，使鋼鐵界對(duì)當(dāng)代鋼鐵工業(yè)技術(shù)提升到一個(gè)新的高度。

經(jīng)過改革開放，特別是20世紀(jì)90年代的技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，21新世紀(jì)以來，在市場需求拉動(dòng)和大量投資拉動(dòng)的雙重作用下，中國粗鋼產(chǎn)量快速增長，2015年中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到8.04億t，約占世界粗鋼產(chǎn)量的50%。當(dāng)前，中國鋼鐵產(chǎn)能過剩，在市場、資源、環(huán)境的多重壓力下，中國鋼鐵工業(yè)正面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整、壓縮過剩產(chǎn)能的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和考驗(yàn)［4］。

20世紀(jì)90年代是中國鋼鐵工業(yè)的崛起過程，通過對(duì)連鑄、高爐噴煤、高爐長壽、連續(xù)軋制、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐和綜合節(jié)能等6項(xiàng)關(guān)鍵共性技術(shù)的開發(fā)、集成和推廣，促進(jìn)了中國鋼鐵制造流程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提高了生產(chǎn)效率，為中國鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。由此可以看出科技進(jìn)步對(duì)中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用與重要意義［5，6］。

新世紀(jì)以來，首鋼京唐鋼鐵廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)基于冶金工程技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程科學(xué)，運(yùn)用現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)理念、理論和方法進(jìn)行工程決策、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等，構(gòu)建了新一代可循環(huán)鋼鐵制造流程，引領(lǐng)了中國鋼鐵工業(yè)科技進(jìn)步的發(fā)展方向。

回顧中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展歷程，可以更加深刻地認(rèn)識(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀規(guī)律，從中感悟出經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-技術(shù)-工程非線性耦合的交互作用和重要影響。20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展的啟示是：經(jīng)濟(jì)增長是鋼鐵工業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的拉動(dòng)力，科技進(jìn)步是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力，資源、能源和環(huán)境約束則是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的限制力，市場-價(jià)格-質(zhì)量-生態(tài)則是對(duì)鋼鐵企業(yè)的篩選力。

經(jīng)過幾十年的努力，中國鋼鐵工業(yè)的設(shè)計(jì)隊(duì)伍正在成長為與世界鋼鐵強(qiáng)國要求相匹配的技術(shù)力量。能夠設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的聯(lián)合鋼鐵企業(yè)及各種類型的鋼鐵廠，提供國際一流水平的鋼鐵產(chǎn)品，設(shè)計(jì)水平已進(jìn)入國際一流。總體來看，中國鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展必須依靠技術(shù)創(chuàng)新提高技術(shù)水平。

中國鋼鐵工業(yè)的科學(xué)、健康、可持續(xù)發(fā)展，必須在這幾種力量的平衡協(xié)調(diào)中尋求發(fā)展——走鋼鐵流程綠色化和智能化的新型工業(yè)化道路［7］。中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主線應(yīng)是動(dòng)態(tài)地適應(yīng)市場發(fā)展趨勢，繼續(xù)以調(diào)整結(jié)構(gòu)為主要途徑，以增強(qiáng)市場競爭力和注重可持續(xù)發(fā)展作為總體目標(biāo)。中國鋼鐵工業(yè)應(yīng)建立以內(nèi)需為主的結(jié)構(gòu)。從鋼鐵企業(yè)未來社會(huì)、經(jīng)濟(jì)角色來看，鋼鐵制造流程應(yīng)具有三個(gè)主要功能：鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源高效轉(zhuǎn)換功能、大宗廢棄物的消納-處理-再資源化功能，如圖1所示。

圖1 鋼鐵制造流程功能的演變

2 鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程與演進(jìn)

2.1 傳統(tǒng)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法

冶金工程設(shè)計(jì)是運(yùn)用冶金工程技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、工程科學(xué)的研究成果進(jìn)行集成與應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)工程化的一門綜合性學(xué)科［8］。制造業(yè)主要分為流程制造業(yè)與裝備制造業(yè)兩大類，鋼鐵制造屬于典型的流程制造業(yè)，而服務(wù)于鋼鐵制造流程的工藝裝備技術(shù)則屬于裝備制造業(yè)。就制造業(yè)而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要面向消費(fèi)者用戶，工程設(shè)計(jì)主要面向生產(chǎn)產(chǎn)品的企業(yè)用戶。因此，冶金工程設(shè)計(jì)同時(shí)具有流程制造業(yè)與裝備制造業(yè)的雙重屬性。

中國冶金工程設(shè)計(jì)理論體系在20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)引入，長期以來基本沿用蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法（經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)方法）。20世紀(jì)80年代以后，隨著寶鋼工程的設(shè)計(jì)建設(shè)，中國冶金工程設(shè)計(jì)又相繼引入了日本和歐洲的設(shè)計(jì)方法（半經(jīng)驗(yàn)-半理論型設(shè)計(jì)方法），但仍屬傳統(tǒng)的“靜態(tài)-分割”設(shè)計(jì)方法，即靜態(tài)的“半經(jīng)驗(yàn)-半理論”的設(shè)計(jì)方法。

傳統(tǒng)的“靜態(tài)-分割”設(shè)計(jì)方法，主要存在以下問題：在工程理念方面，傳統(tǒng)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法遵循的是“征服自然”工程理念；在工程思維方面，傳統(tǒng)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法思維模式是還原論思維模式；在工程系統(tǒng)觀及工程系統(tǒng)分析方法方面，傳統(tǒng)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法基本上沒有形成現(xiàn)代工程系統(tǒng)觀及工程系統(tǒng)分析方法，或者說是以模糊整體論與機(jī)械還原論為基礎(chǔ)的分析方法。

傳統(tǒng)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法還存在著內(nèi)容的缺失：一是采用基礎(chǔ)科學(xué)（解決原子、分子尺度上的問題）和技術(shù)科學(xué)（解決工序、裝置、場域尺度上的問題）的思維方式來解決工程科學(xué)（解決制造流程整體尺度、層次和流程中工序、裝置之間關(guān)系的銜接、匹配、優(yōu)化問題）問題，使得建設(shè)項(xiàng)目在工程設(shè)計(jì)的思維方式上存在著先天不足；二是采用從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)展到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法來替代冶金工程設(shè)計(jì)方法，主要是針對(duì)鋼鐵制造流程裝備技術(shù)設(shè)計(jì)方法的研究，而鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)具有流程制造業(yè)與制品制造業(yè)兩重性，忽略了對(duì)鋼鐵制造流程工藝流程設(shè)計(jì)方法的研究。從系統(tǒng)觀、整體觀方面看，傳統(tǒng)冶金工程設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)了子系統(tǒng)（工序）的設(shè)計(jì)，忽視了系統(tǒng)-子系統(tǒng)、子系統(tǒng)-子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)運(yùn)行關(guān)系的設(shè)計(jì)。

2.2 現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法的形成

20世紀(jì)80年代以后，中國鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了科技工作者對(duì)冶金工程設(shè)計(jì)理論及方法的深入研究，新的研究成果不斷涌現(xiàn)，中國已初步建立起現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的知識(shí)體系并且不斷完善。進(jìn)入21世紀(jì)以來，《工程哲學(xué)》（第1版）［9］、《工程哲學(xué)》（第2版）［10］、《工程演化論》［11］、《冶金流程工程學(xué)》（第1版）［12］、《冶金流程工程學(xué)》（第 2版）、《冶金流程集成理論與方法》［13］等重要學(xué)術(shù)專著相繼出版，標(biāo)志著中國冶金工程學(xué)科從基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)到工程科學(xué)的知識(shí)體系已經(jīng)建立并不斷完善。

工程理念是工程建造、工程運(yùn)行的靈魂［14］。承載工程理念的工程設(shè)計(jì)則是對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)行全過程的總體性策劃和表述項(xiàng)目建設(shè)意圖的過程，是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)的基礎(chǔ)性、決定性環(huán)節(jié)。沒有現(xiàn)代化的工程設(shè)計(jì)，就沒有現(xiàn)代化的工程，也不會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)代化的生產(chǎn)運(yùn)行績效?？茖W(xué)合理的工程設(shè)計(jì)，對(duì)加快工程項(xiàng)目建設(shè)速度、提高工程建設(shè)質(zhì)量、節(jié)約建設(shè)投資、保證工程項(xiàng)目順利投產(chǎn)并對(duì)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益具有決定性作用。鋼鐵廠的競爭力和創(chuàng)新看似體現(xiàn)在產(chǎn)品和市場，究其根源卻來自于設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)過程和制造過程，工程設(shè)計(jì)正在成為市場競爭的始點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)的競爭和創(chuàng)新的關(guān)鍵在于工程復(fù)雜系統(tǒng)的多目標(biāo)總體優(yōu)化。

首鋼京唐鋼鐵項(xiàng)目是我國自主設(shè)計(jì)建設(shè)的第一個(gè)特大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。以鋼鐵流程工業(yè)的指導(dǎo)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)。目前已投產(chǎn)的鐵前系統(tǒng)和煉鋼系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行水平已處于國際先進(jìn)。首鋼京唐鋼鐵廠工程設(shè)計(jì)與建設(shè)，運(yùn)用現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行工程決策、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、構(gòu)建、運(yùn)行等并獲得成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法推廣應(yīng)用的重大理論價(jià)值。

3 工程方法論與現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法

工程方法論是研究工程方法的共同本質(zhì)（結(jié)構(gòu)化、功能化等）、共性規(guī)律（要素選擇優(yōu)化、程序化、協(xié)同化等）和一般價(jià)值的理論（和諧化、效率化、效益化、優(yōu)質(zhì)化等），是闡明正確認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)和指導(dǎo)工程活動(dòng)的一般方法、途徑及其規(guī)律，其核心和本質(zhì)是研究各種工程方法所具有的共性特征和工程方法所應(yīng)遵循原則和規(guī)律。

工程方法論對(duì)現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)作用主要是建立起現(xiàn)代工程思維、工程理念、工程系統(tǒng)觀及工程系統(tǒng)分析方法等，并與鋼鐵冶金工程的決策、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行等過程有機(jī)地結(jié)合起來，并發(fā)揮指導(dǎo)作用。

鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)是建立在基本要素、原理、工藝技術(shù)、設(shè)備（裝置）、程序、管理、評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上集成、建構(gòu)的過程。從方法論上看，要研究從對(duì)鋼鐵冶金工程要素的合理選擇、集成出發(fā)，建構(gòu)出結(jié)構(gòu)合理、功能優(yōu)化、效率卓越的可運(yùn)行、有競爭力的工程實(shí)體的方法問題。因而，宏觀上工程方法論主要是圍繞著工程整體的結(jié)構(gòu)化、功能化、效率化和環(huán)境適應(yīng)性等維度展開的。

鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的最主要的命題是解決好整體流程的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程上的多目標(biāo)優(yōu)化；解決好流程中工序/裝置之間動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)問題，并形成物質(zhì)流、能量流網(wǎng)絡(luò)和信息流網(wǎng)絡(luò)；解決好工序、裝備和信息控制單元本身的結(jié)構(gòu)-功能-效率問題。因此，鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)理論是一門復(fù)雜的學(xué)問，工程設(shè)計(jì)理論需要通過工程設(shè)計(jì)、工程運(yùn)行和工程管理等實(shí)踐中的范例和失敗教訓(xùn)為基本素材，利用基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)特別是工程科學(xué)的最新成就加以研究、總結(jié)，概括出新的認(rèn)識(shí)——新的工程設(shè)計(jì)理論和方法。

在鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法中，工程方法論的“二階性”主要體現(xiàn)在：體系結(jié)構(gòu)化及其方法，協(xié)同化及其方法，程序化及其方法，功能化及其方法，和諧化及其方法。上述內(nèi)容體現(xiàn)了工程方法論的共性原則和規(guī)律，是指導(dǎo)鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的基本理論和方法。

4 現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法

4.1 鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)問題的識(shí)別與定義

（1）鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)及其特征

鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)是物質(zhì)、能量和信息在不同的時(shí)-空尺度上流動(dòng)/流變的過程。也就是物質(zhì)流在能量流的驅(qū)動(dòng)下，按照設(shè)定的“程序”，沿著特定的“流程網(wǎng)絡(luò)”作動(dòng)態(tài)-有序的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的優(yōu)化。優(yōu)化的目標(biāo)包括產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、低成本，生產(chǎn)高效-順行，能源利用效率高，能耗低，排放少、環(huán)境友好等。演變和流動(dòng)是鋼鐵制造流程運(yùn)行的核心。

鋼鐵制造流程是由各單元工序串聯(lián)作業(yè)，各工序協(xié)同、集成的生產(chǎn)過程。一般前工序的輸出即為后工序的輸入，且互相銜接、互相緩沖-匹配。鋼鐵制造流程具有復(fù)雜性和整體性特征，復(fù)雜性表現(xiàn)“復(fù)雜多樣”與“層次結(jié)構(gòu)”兩個(gè)特點(diǎn)。

（2）鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的特征要素

鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的特征要素是“流”、“流程網(wǎng)絡(luò)”、“運(yùn)行程序”，其中“流”是制造流程運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)變化的主體，“流程網(wǎng)絡(luò)”（即“節(jié)點(diǎn)”和“連接器”構(gòu)成的圖形）是“流”運(yùn)行的承載體和時(shí)-空邊界，而“運(yùn)行程序”則是“流”的運(yùn)行特征在信息形式上的反映。

（3）鋼鐵制造流程運(yùn)行的特點(diǎn)

由此可以推論出，鋼鐵制造流程運(yùn)行的物理本質(zhì)是一類開放的、遠(yuǎn)離平衡的、不可逆的、由不同結(jié)構(gòu)-功能的相關(guān)單元工序過程，經(jīng)過非線性相互作用，嵌套構(gòu)建而成的流程系統(tǒng)。在這一流程系統(tǒng)中，鐵素流（包括鐵礦石、廢鋼、鐵水、鋼水、鑄坯、鋼材等）在能量流（包括煤、焦、電、汽等）的驅(qū)動(dòng)和作用下，按照一定的“程序”（包括功能序、時(shí)間序、空間序、時(shí)-空序和信息流調(diào)控程序等）在特定設(shè)計(jì)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如生產(chǎn)車間平面布置圖、總平面布置圖等）中的流動(dòng)運(yùn)行現(xiàn)象。這類流程的運(yùn)行過程包含著實(shí)現(xiàn)運(yùn)行要素的優(yōu)化集成和運(yùn)行結(jié)果的多目標(biāo)優(yōu)化。

以鋼鐵制造流程整體動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行集成理論為指導(dǎo)，鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的核心理念是：在上、下游工序動(dòng)態(tài)運(yùn)行容量匹配的基礎(chǔ)上，考慮工序功能集（包括單元工序功能集）的解析優(yōu)化，工序之間關(guān)系集的協(xié)調(diào)-優(yōu)化（而且這種工序之間關(guān)系集的協(xié)同-優(yōu)化不僅包括相鄰工序關(guān)系、也包括長程的工序關(guān)系集）和整個(gè)流程中所包括的工序集的重構(gòu)優(yōu)化（即淘汰落后的工序裝置、有效“嵌入”先進(jìn)的工序/裝置等）。

（4）鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法的路徑

基于對(duì)鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)的重要目的，就是通過選擇、綜合、權(quán)衡、集成等方法，構(gòu)建出符合鋼鐵制造流程運(yùn)行規(guī)律和特點(diǎn)的先進(jìn)流程，可以歸納概括為：

1）鋼鐵制造流程具有復(fù)雜的時(shí)-空性，復(fù)雜的質(zhì)-能性、復(fù)雜的自組織性、他組織性等特點(diǎn)，并體現(xiàn)為多因子、多尺度、多層次、多單元、多目標(biāo)優(yōu)化。

2）鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)是圍繞質(zhì)量/性能、成本、投資、效率、資源、環(huán)境等多目標(biāo)群進(jìn)行選擇、整合、互動(dòng)、協(xié)同等集成過程和優(yōu)化、進(jìn)化的過程。

3）鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)單元工序優(yōu)化基礎(chǔ)上，通過集成和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鋼鐵冶金全流程系統(tǒng)優(yōu)化的過程。

4）鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)全流程動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)、連續(xù)（準(zhǔn)連續(xù)）-高效運(yùn)行的過程指導(dǎo)思想統(tǒng)領(lǐng)下，對(duì)各工序/裝置提出集成、優(yōu)化的設(shè)計(jì)要求。

5）鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新要順應(yīng)時(shí)代潮流，從單一的鋼鐵產(chǎn)品制造功能提升到實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠“三個(gè)功能”的過程。

因而，鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法的路徑是建立在描述物質(zhì)/能量的合理轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行過程設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，并努力實(shí)現(xiàn)全流程物質(zhì)流/能量流運(yùn)行過程中各種信息參量的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)，并進(jìn)一步發(fā)展到計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)。

4.2 鋼鐵制造流程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行與界面技術(shù)

（1）鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)耦合

研究鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的非線性相互作用和動(dòng)態(tài)耦合是現(xiàn)代鋼鐵冶金設(shè)計(jì)方法重要內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在鋼鐵制造流程區(qū)段運(yùn)行的動(dòng)態(tài)-有序化、界面技術(shù)協(xié)同化和流程網(wǎng)絡(luò)合理化。不同工序/裝置在其動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)耦合是流程形成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的重要標(biāo)志。

（2）鋼鐵制造流程界面技術(shù)協(xié)同化

所謂“界面技術(shù)”是相對(duì)于鋼鐵制造流程中煉鐵、煉鋼、鑄錠、初軋（開坯）、熱軋等主體工序之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)—緩沖技術(shù)及相應(yīng)的裝置（裝備）?！敖缑婕夹g(shù)”不僅包括相應(yīng)的工藝、裝置，還包括平面圖等時(shí)-空合理配置、裝置數(shù)量（容量）匹配等一系列的工程技術(shù)。典型的現(xiàn)代鋼鐵制造流程界面技術(shù)如圖2所示。

“界面技術(shù)”主要體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程物質(zhì)流（應(yīng)包括流量、成分、組織、形狀等）、生產(chǎn)過程能量流（包括一次能源、二次能源以及用能終端等）、生產(chǎn)過程溫度、生產(chǎn)過程時(shí)間和空間位置等基本參數(shù)的銜接、匹配、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定等方面。

“界面技術(shù)”是在單元工序功能優(yōu)化、作業(yè)程序優(yōu)化和流程網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等流程設(shè)計(jì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，所開發(fā)出來的工序之間關(guān)系的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，包括了相鄰工序之間的關(guān)系協(xié)同-優(yōu)化或多工序之間關(guān)系的協(xié)同—優(yōu)化?！敖缑婕夹g(shù)”的形式分為物流-時(shí)/空的界面技術(shù)、物質(zhì)性質(zhì)轉(zhuǎn)換的界面技術(shù)和能量/溫度轉(zhuǎn)換的界面技術(shù)等。

圖2 現(xiàn)代鋼鐵制造流程的界面技術(shù)

4.3 現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的概念設(shè)計(jì)

（1）建立現(xiàn)代工程思維模式——概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是工程科學(xué)層次上的問題，首先要從創(chuàng)建流程的耗散結(jié)構(gòu)、耗散過程出發(fā)，突出流程應(yīng)該動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行的概念。在新一代鋼鐵制造流程的設(shè)計(jì)研究中，概念設(shè)計(jì)研究要建立起系統(tǒng)研究分析鋼鐵制造流程物理本質(zhì)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特征的工程思維模式，采用解析與集成的方法，整體研究鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的規(guī)律和設(shè)計(jì)、運(yùn)行的規(guī)則。因此，對(duì)新一代鋼鐵制造流程的研究首先應(yīng)從研究整體流程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行本質(zhì)開始，進(jìn)行流程層次上整體動(dòng)態(tài)運(yùn)行的概念研究。對(duì)流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行理性抽象的方法是系統(tǒng)地思考生產(chǎn)流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的物理本質(zhì)，用解析與集成的方法，整體研究流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的規(guī)律和設(shè)計(jì)運(yùn)行的規(guī)則。

（2）現(xiàn)代鋼鐵制造流程兩類基本流程的選擇

結(jié)合市場需求和資源供給能力，針對(duì)現(xiàn)代鋼鐵制造流程已演變成的兩類基本流程進(jìn)行選擇。一種是以鐵礦石、煤炭等天然資源為源頭的高爐-轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程或熔融還原-轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程；另一種是以廢鋼為再生資源和電力為能源的電爐-精煉-連鑄-熱軋-深加工流程。研究表明，無論何種流程結(jié)構(gòu)，流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)本身都是一種耗散結(jié)構(gòu)，必須構(gòu)建一個(gè)優(yōu)化的耗散結(jié)構(gòu)，使物質(zhì)流得以動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)地持續(xù)運(yùn)行。

4.4 現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的頂層設(shè)計(jì)

鋼鐵工業(yè)未來發(fā)展，必須在充分理解鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展鋼鐵廠的功能，以新的模式實(shí)現(xiàn)綠色化、智能化轉(zhuǎn)型，融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。通過對(duì)鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程物理本質(zhì)的研究，可以推論出現(xiàn)代鋼鐵制造流程應(yīng)當(dāng)具有“三個(gè)功能”：

（1）鐵素物質(zhì)流運(yùn)行的功能——高效率、低成本、潔凈化鋼鐵產(chǎn)品制造功能。

（2）能量流運(yùn)行的功能-能源合理、高效轉(zhuǎn)換功能以及利用過程剩余能源進(jìn)行相關(guān)的廢棄物消納-處理功能。

（3）鐵素流-能量流相互作用過程的功能——實(shí)現(xiàn)過程工藝目標(biāo)以及與此相應(yīng)的廢棄物消納-處理-再資源化功能。

現(xiàn)代鋼鐵制造流程工程頂層設(shè)計(jì)以概念設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并確立鋼鐵制造流程中“流”的動(dòng)態(tài)概念，強(qiáng)調(diào)以動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行的觀念，形成集成的、動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)運(yùn)行的工程設(shè)計(jì)觀。在頂層設(shè)計(jì)中突出流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流程功能的拓展，以“三個(gè)功能”為設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)以要素選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能拓展和效率卓越為頂層設(shè)計(jì)的原則。在方法上強(qiáng)調(diào)從頂層（流程整體）決定底層（工序/裝置），形成從上層指導(dǎo)、規(guī)范下層的思維模式。

4.5 現(xiàn)代鋼鐵冶金工程的動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)方法體系形成了基于冶金流程工程學(xué)、冶金流程集成理論與方法的鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，從開始設(shè)計(jì)就以“流”和“動(dòng)”的概念為指導(dǎo)，將分割-粗放的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)化到動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，這是建立在鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行物理本質(zhì)基礎(chǔ)上，特別是鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行中的運(yùn)行動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上的工程設(shè)計(jì)方法。

以先進(jìn)的概念研究和頂層設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，運(yùn)用圖論、排隊(duì)論和動(dòng)態(tài)甘特圖等工具為手段，研究高效匹配的界面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)的物質(zhì)流設(shè)計(jì)、高效轉(zhuǎn)換并及時(shí)回收利用的能量流設(shè)計(jì)及以節(jié)能減排為中心的開放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而在更高層次上體現(xiàn)鋼鐵制造流程的“三個(gè)功能”。動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法是建設(shè)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)頂層設(shè)計(jì)階段的進(jìn)一步深化，是宏觀尺度下工程設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的具體方式和方法。

5 結(jié)語

（1）現(xiàn)代鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從要素-結(jié)構(gòu)-功能-效率集成優(yōu)化的觀點(diǎn)出發(fā)，在工程設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)的流程運(yùn)行優(yōu)化，這是動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和鋼鐵廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程的理論核心。

（2）在冶金工程相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)上，以冶金流程工程學(xué)理論和方法為核心，構(gòu)建鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新理念、理論及方法的完整體系。深入開展對(duì)鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行物理本質(zhì)的研究，探索物質(zhì)流、能量流、信息流的協(xié)同耦合和集成理論研究，重視鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行中“流”、“流程網(wǎng)絡(luò)”和“運(yùn)行程序”的研究，以及對(duì)鋼鐵企業(yè)結(jié)構(gòu)、功能、效率的影響。

（3）重視以網(wǎng)絡(luò)化整合、程序化協(xié)同為重要手段（集成創(chuàng)新），重視概念設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提高鋼鐵制造流程的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)過程的運(yùn)行效率。重視新工藝、新技術(shù)、新裝備的開發(fā)、設(shè)計(jì)制造并通過多層次、多尺度、多因子集成優(yōu)化，有效地、動(dòng)態(tài)地“嵌入”到鋼鐵生產(chǎn)流程中。同時(shí)要高度重視全廠性、全流程層次上能量流研究及其網(wǎng)絡(luò)化整合，提高能源效率，進(jìn)一步從流程上推進(jìn)節(jié)能減排。

（4）從工程哲學(xué)的視角來看，鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)過程和生產(chǎn)運(yùn)行過程長期以來集中注意的是局部性的“實(shí)”，而往往忽視了貫通全局性的“流”。未來工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行和過程管理中既要注重解決具體的、局部的“實(shí)”，更應(yīng)集中關(guān)注貫通全局的“流”。

（5）面向未來，中國鋼鐵工業(yè)應(yīng)當(dāng)以綠色化、智能化發(fā)展作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要方向，重視產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整升級(jí)和企業(yè)結(jié)構(gòu)的概念研究、頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)冶金工程動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)運(yùn)行，以工程哲學(xué)的思維和戰(zhàn)略思考，解決產(chǎn)業(yè)層面、企業(yè)層面的復(fù)雜性命題，獲得新的市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。

致謝

感謝張春霞、徐安軍等專家的寶貴意見和建議；感謝曹朝真、李欣、周頌明、張旭孝、張文皓、上官方欽等青年學(xué)者的參與和幫助。

［1］徐匡迪. 20世紀(jì)——鋼鐵冶金從技藝走向工程科學(xué)［J］.上海金屬，2002（1）： 1-10.

［2］殷瑞鈺. 冶金流程工程學(xué)（第2版）［M］. 北京： 冶金工業(yè)出版社，2009： 1-10.

［3］張壽榮. 論 21世紀(jì)中國鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整［J］. 冶金叢刊，2000（1）： 39-44.

［4］張壽榮，于仲潔. 中國煉鐵技術(shù) 60年的發(fā)展［J］. 鋼鐵，2014，49（7）： 8-14.

［5］徐匡迪. 中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新［J］. 鋼鐵，2008， 43（2）： 1-13.

［6］張壽榮. 鋼鐵工業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新［J］. 中國冶金，2005，15（5）： 1-5.

［7］張春霞，王海風(fēng)，張壽榮，殷瑞鈺. 中國鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展工程科技戰(zhàn)略及對(duì)策［J］. 鋼鐵，2015，50（10）： 1-7.

［8］張福明，頡建新. 冶金工程設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.鋼鐵，2014，49（7）： 41-48.

［9］殷瑞鈺，汪應(yīng)洛，李伯聰，等. 工程哲學(xué)（第1版）［M］.北京： 高等教育出版社，2007.

［10］殷瑞鈺，汪應(yīng)洛，李伯聰，等. 工程哲學(xué)（第2版）［M］.北京： 高等教育出版社，2013.

［11］殷瑞鈺，李伯聰，汪應(yīng)洛. 工程演化論［M］. 北京： 高等教育出版社，2011.

［12］殷瑞鈺. 冶金流程工程學(xué)（第1版）［M］. 北京： 冶金工業(yè)出版社，2004.

［13］殷瑞鈺. 冶金流程集成理論與方法 ［M］. 北京： 冶金工業(yè)出版社，2013.

［14］李喜先. 工程系統(tǒng)論［M］. 北京： 科學(xué)出版社，2007.

Research on Design Method of Modern Iron and Steel Metallurgy Engineering

Yin Ruiyu1，Zhang Shourong2，Zhang Fuming3，Xie Jianxin4
（1. General Research Institute of Iron and Steel，Beijing 100081，China；2. WISCO，Wuhan 430080，China；3. Shougang Group，Beijing 100041，China；4. Beijing Shougang International Engineering Technology Co.，Ltd.，Beijing 100043，China）

This paper expounds the important role and status of steel materials in the economic and social development，analyzes the development history and current situation of China’s iron and steel industry，and discusses the important role in promoting the development of science and technology progress for steel industry，and points out the future development orientation of China’s steel industry. Also this paper reviews the development course of Chinese metallurgical engineering design evolution，analyzes the relationship between engineering methodology and metallurgical engineering design method，metallurgical engineering design status and the function，and elaborates the physical essence of steel manufacturing process and modern steel manufacturing process of the “three functions”. From the physical essence of steel manufacturing process，characteristics and dynamic operating characteristics factors，path design method，dynamic and orderly operation of dynamic coupling process，etc.，the identification and definition of metallurgical engineering design problem are proposed. The methodological system of concept design，top-level design，dynamic precision design for modern iron and steel metallurgy engineering method，as well as the systematic integration of modern steel manufacturing process and structure optimization，economic and social assessment are proposed.

iron and steel metallurgy；process manufacture；structure optimization；engineering design；design method

TF4

A

1674-4969（2016）05-0502-09

10.3724/SP.J.1224.2016.00502

2016-08-31；

2016-09-05

殷瑞鈺（1935-），男，中國工程院院士，主要研究方向?yàn)橐苯鹆鞒坦こ虒W(xué)、冶金流程集成理論與方法、工程哲學(xué)、工程演化論、工程方法論等。張壽榮（1928-），男，中國工程院院士，主要研究方向?yàn)楣こ陶軐W(xué)、冶金流程工程學(xué)、工程演化論、冶金工程綠色發(fā)展等。張福明（1967-），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苯鸸こ淘O(shè)計(jì)研究、冶金工程裝備創(chuàng)新、工程方法論等。E-mail： zhangfuming@bsiet.com