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钢铁制造流程炼铁区段耗散结构的解析

张福明  颉建新  殷瑞钰  
【摘要】:为了研究钢铁制造流程耗散结构的本质及其特征,以高炉炼铁区段为对象,研究解析了多工序协同动态运行条件下的耗散结构优化问题。由料场、焦化、烧结、球团、高炉等工序所组成的炼铁区段,不仅是钢铁制造流程中重要的物质/能源转换中心,也是全流程动态有序、协同连续运行的关键和基础环节。炼铁区段的物理本质是铁素物质流在碳素能量流的驱动和作用下,经过一系列热量、质量和动量传输以及复杂的冶金物理化学反应工程,将铁矿石转换/转化成为高温液态生铁,并生成高炉煤气和液态炉渣,同时产生大量余能、余热的工艺过程。这一复杂的工艺过程需要多工序协同耦合、耗散结构优化、动态有序运行。分析了耗散结构理论的内涵及耗散结构形成与维持的基本条件,指出钢铁制造流程炼铁区段是一个典型的耗散结构。阐述了炼铁区段主要工序功能解析优化和工程演化的历程,指出焦化、烧结、球团等单元工序的形成和发展,是现代高炉功能解析优化、集成优化和重构优化的演化结果和工程效应。其优化的目标包括了提高产品质量和生产高效、降低运行成本和能源消耗、减少CO_2和污染物排放、实现生态环境友好等。基于耗散结构理论,提出了炼铁区段主要单元功能解析、耗散结构特征、耗散结构体系建构及优化的理论与方法,论述了单元工序功能的对比分析和选择确定、设备/装置的能力和数量等参数的选择等。以耗散结构理论和冶金流程工程学为指导,构建了首钢京唐钢铁厂炼铁区段概念设计、顶层设计、动态精准设计体系,形成了动态有序、协同连续、耗散优化的工艺流程。生产实践证实,其耗散结构合理、物质和能量耗散低、生产运行指标先进、经济效益和社会效益显著,具有重大的理论研究和推广应用价值。

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