21世纪钢铁工业面临的是一种最新形式的综合性挑战，它包括了经营成本、产品质量与性能、生产效率与合理规模、能耗与过程排放、过程信息控制、环境与生态等多目标群优化。这些挑战，主要应从钢厂生产流程整体优化来解决。本文讨论了钢铁制造流程的特点和物理本质，指出：从物理角度上看，由性质不同的诸多工序组成的钢铁制造流程是一种多因子物质流，按一定的程序，在一个流程网络中流动运行的现象，是一种耗散过程。提出了现代大型钢厂的结构及其优化趋势，强调在新世纪内大型钢厂应体现三种功能：（1）钢铁产品制造功能；（2）能源转换功能；（3）废弃物的处理－消纳和再资源化功能。新世纪钢铁制造流程的研究内涵应包括：高效率、低成本的洁净钢生产平台技术；工序间动态－有序运行的"界面技术"；流程工程集成技术；系统、高效的能源转换技术；废弃物再资源化技术；产业链接技术；流程物理模型与虚拟现实技术。总之，要通过钢铁制造流程的研究开发，拓宽钢厂生产流程的功能--即钢铁产品的制造功能、能源转换功能和废弃物再资源化功能---增强市场竞争力和可持续发展能力。

　　命题的时代背景

　　21世纪钢铁企业面临的挑战已不仅是单一的产品的质量、性能问题，也不仅是产量和生产效率问题，而是一种最新形式的综合性挑战：它包括了经营成本、产品质量与性能，生产效率与合理规模、能耗与过程排放、过程信息化控制、环境与生态等多目标群优化的挑战。要认识并解决这类多目标优化的挑战，不能从某一产品的材料学问题来解决，也不能靠某一工艺装置的工艺学问来解决；主要应从生产流程整体优化来解决。

　　流程制造业进入21世纪后，在信息技术蓬勃发展的推动下，制造流程的工程设计、生产运行和经营管理等方面，也面临着如何充分利用以计算机为核心的信息技术的机遇，钢铁制造流程的整体信息化应该是在制造流程重组优化基础上的信息化，应该是物质流、能量流、信息流之间互动的综合信息化。钢厂也面临环境－生态问题的挑战以及如何积极主动地实现工业生态化转型的命题，进而融入循环经济社会中去。这些命题不能只从某一产品的研究来解决，也不能只从某一装置的工艺学问来解决，只能从流程工程学的层面上来解决。

　　20世纪以来，冶金学经历了从技艺到科学的转变。对钢铁工业而言，这个转变还只是经历了只知道通过变动化学成分、温度、压力以调节“单元操作”（例如脱硫、脱氧、脱碳等）和粗知装置及工序层次上的传输过程原理及其相应层次的数学模拟两个发展阶段。当然，这两个阶段（即基础科学阶段、技术科学阶段）都是具有里程碑意义的。

　　应该想一下，对冶金－材料学科命题而言，实际上存在着自下而上的从原子（分子）、工序、装置（反应器等）到工厂的制造工艺流程和自上而下的从市场到各类钢铁产品的需求过程，甚至还存在着从自然生态－环境－工厂－制造过程－产品－循环利用等自上而下的需求过程，这些都交汇在工厂级制造工艺流程层面上。可以看出，需要仔细研究冶金流程的本质和运行规律。当前，冶金知识的发展正面临着一场新的挑战和变革。这一场新变革的动因是由于已有的理论知识和方法难以对冶金制造流程的动态－精准设计、运行过程的智能化调控等方面实现定量化、动态－有序化；同时，已有的基础科学、技术科学理论知识和方法还不能使信息技术、环境生态概念充分、有效地进入到钢厂的生产流程中去。因此，是不是应该把原子－反应／转变过程－装置－流程－产品－环境－生态联系起来统一思考呢？看来，在不同层次、不同尺度上存在着开放的、远离平衡的、不可逆的复杂流程系统的结构性问题，这对21世纪的科学认识是一种共性的挑战，是带有共同性的命题。可以清楚感觉到在进行基础研究时，要放宽视野，把不同尺度、不同层次的科学问题进行统一研究。要搞清不同尺度、不同层次上的科学认识，并把不同尺度、不同层次的问题关联起来（甚至耦合起来）才能逐步进入角色。

　　由上述分析可以看出：从市场需求和科学学科发展两个侧面上看，迫切需要进行钢铁制造流程的研究和开发，并实现科学－产品－市场－环境的统一。

　　关于冶金－材料学科的发展

　　钢厂属于流程制造业，其生产运行过程不同于机械制造、汽车制造等离散型生产方式。钢厂的生产运行过程实际上是从原子／分子层次（包括原子／分子间相互发生化学反应，原子相互之间的空间位置排列形式及其转变等）到整个制造工艺流程的集成组合和集成运行的过程。

　　其中：从科学的角度上看，则包含着不同层次科学、技术和工程问题的耦合和集成（表1）。从动态运行的信息角度上看，则应是不同时－空尺度信息的数字化集成（表2）。

　　           表 1   钢铁生产工艺流程在科学认识上的层次性分析                      
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　　科学性质  研究尺度       研究方法            层次         设定的系统特征        控制 
　　 分类                 白箱       黑箱           
　　基础科学 原子／分子 原子／分子 系统背景      微观       孤立系统：与外界没有 －／PLC 　　                                                                 物质、能量交换,可逆
　　                                                        过程－平衡状态  
　　技术科学 场域／装置 场域／装置 分子／流程  中(介)观     开放系统：与外界     PLC／MIS
　　                                                        有物质和能量交换　　
    工程科学 流程／复杂 流程／工序 分子／场域  整体／系统   开放系统：与外界     MIS／CIMS
　　            系统       关系                             有物质和能量交换，　　                                                                            不可逆过程——远离平衡态 
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　　    表 2   不同层次的过程及其时－空尺度范围
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　　  过程                时间尺度，s    空间尺度 ，m
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　　分子／电子              ＜10－5          ＜10－10 
　　流体力学与传递       10－3～101        10－9～101
　　化学反应及催化剂     10－5～103     10－11～10－2
　　反应器               10－4～104        10－3～102
　　工厂（流程）              ＞104             ＞101  
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　　从冶金－材料学科的发展角度上，要开展多层次－多尺度的整体性基础研究，也就是要开展从原子／分子尺度到钢厂整体尺度上协同－耦合的整体性基础研究——工程科学问题。

　　从表1、表2所示的内容可以看出，钢厂的制造流程既有整体性基础研究的工程科学问题，也有工程开发问题。钢厂制造工艺流程还具有对各种工艺技术、工序／装置的集成性平台作用。

　　产品将在很大程度上决定制造流程，但反过来，制造流程确定后，就蕴涵着不同层次、多种因素的耦合－集成性和发挥多种功能的平台性。

　　制造工艺流程将涉及钢厂的结构与功能，并将引导钢厂发展模式的取向。新世纪钢铁工业（流程制造业）的进一步发展有赖于这类大尺度－多层次问题的解决。其中既包括了工程理论问题、工程设计问题，又包括了生产技术问题、运行调控问题和环境－生态问题等内容。

　　制造工艺流程对于相应的流程制造业而言具有根本重要性，随着时代的进步，文明的发展，应该用新理念、新思维来研究新一代的制造流程。

　　钢厂制造流程运行的概念与要素

　　钢厂制造流程生产运行的概念可以抽象为铁素物质流在能量流的驱动和作用下，按照设定的程序，沿着总平面图等时－空边界（流程网络），进行不同形式（连续、准连续、间歇）的动态运行。

　　从钢厂制造过程运行要素分析看，钢厂制造流程的运行实际上存在着三种要素，即流、流程网络和运行程序。其中，流是泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式的资源（包括物质、能源等）或事件（例如氧化、还原反应，传热、传质、传动量，形变、相变等）随着时间－空间的变化过程；流程网络实际上是某种为了适应将开放系统中的资源流通过节点（是指各种工序、装置等）和连结器（包括输送器具、输送方式和输送路径等）整合在一起的物质－能量－时间－空间结构。这种流程网络要能够适应流的运行，特别是要适应生产过程中物质流运行的动态－有序、连续－紧凑的运行规则。运行程序则可看成是各种形式的序和规则、策略、途径等的集合，实际上也体现了优化的信息流。具体在钢铁冶金制造流程中，这些要素的含义如下：

　　1 流程网络

　　它是某种为了适应在开放的流程系统中将资源流、节点和连结器整合在一起的物质－能量－时间－空间结构。这个结构要求有静态的合理性，特别是体现在空间结构方面（例如总平面布置等），更重要的是要能适应资源流在动态运行过程中可以体现出动态－有序性、可连续性和紧凑性。
　　此处所谓的资源流包括了输入的原料流（包括各种辅料）、能源流及其相应的信息流等，也包括了运行过程中的物质流、能量流以及相应的信息流，还有输出的产品流、副产品流和各类排放流及其相应的信息流等。

　　所谓的节点则是包括了在流程网络中的各类功能不同的工序、装置，例如高炉、转炉等。而连结器是指节点与节点连结的手段、方式、装备等，例如管道、辊道、铁路、吊车、各类车辆、钢水包、铁水罐等。因此，也可以将流程网络看成是节点、连结器的优化配置及其组成的时－空边界。
　　若流程网络不合理，往往易导致运行过程流的行为在时间因素方面的无序化或是不时出现混沌状态进而引起流程运行调控程序（信息）的被动与混乱。这样，必将引起物质流、能量流耗散的增加。可见冶金制造流程的动态－有序运行不仅取决于工序、装置各自运行的有序性、相对稳定性，而且也受到流程网络（平面布置图等）的影响、制约或促进。

　　2 流

　　流是泛指在开放的流程系统中运行着的各种形式的资源（包括物质、能量和信息）的数量、状态、性质随时间－空间的变化过程，对冶金流程而言，流是一类多因子（多维）流，包括了化学组分因子、物理相态因子、几何形状因子、表面性状因子、温度或能量因子、空间或距离因子、时间或时序因子等。这种多因子流在生产工艺流程中表现为运行、调控过程中的多维性。多维性体现在流程运行过程中物质状态转变、物质性质控制和与之相关的物质流管制过程中的物质流－能量流－信息流复合在制造流程中的物质流中。

　　3 程序

　　制造流程运行的程序可以看成是各种形式的序和规则、策略、途径的集合。序包括了无序和有序，也包括了对某一因子的次第排列。有序的形式又包括了功能序、空间序、时间序以及时空序等的有序化。而规则来自不同的要求、不同外部环境条件以及流程自身整体功能要求，例如运行连续化、紧凑化等，就是规则的主要体现。序和规则的结合就反映出对制造流程中多维物质流的总体调控策略和具体运行途径。

　　钢铁制造流程的功能和目标

　　1 钢厂制造流程结构的进展

　　为了大批量、经济地制造钢铁产品，钢厂的制造流程不断发生演变与革新，特别是不少单元工序在工艺上、装备上革命性变革的推动下（例如氧气转炉、钢水精炼、铁水预处理、大型电炉、连续铸钢、连续轧制等先进工艺、装备的发展和贝氏麦转炉、托马斯转炉、平炉、小电炉、混铁炉、模铸、初轧机、开坯机等工艺、装备的相继被淘汰），使得钢厂制造流程发生了巨大的变化。在连铸以前的上游工序呈现出分步解析－集成的趋势，连铸以后的下游工序则呈现出精简－紧凑的趋势，连铸工序则以高拉速－恒拉速，甚至近终形为发展方向，而制造工艺流程则在整体上呈现动态－有序运行和连续／准连续－紧凑化的趋势。

　　2 钢厂制造流程的功能拓展

　　由于钢厂制造流程的结构和工艺技术特性，使以铁矿石为源头的钢厂(生产流程)具有以下特点：

　　（1）资源密集、能耗密集：在钢铁联合企业内，每吨钢将消耗0．6～0．8t标煤、1．50～1．55t铁矿石、80～150kg废钢、3～6t新水；由此形成了大量的物质、能量的输入与输出；

　　（2）生产规模大、物流吞吐大：现代化钢厂的基本级别大致地分为年产钢800～1000万t（大规模全薄板型），600～800万t（薄板、中板综合型），300～400万t（中等规模平材型）及100～200万t（棒线材型）等级别；由此伴随着巨大的资金流。

　　（3）制造流程工序多、结构复杂：由此可形成若干产业链接关系，因而必然涉及时－空因素；

　　（4）制造流程中伴随着大量物质和能量排放，并形成了复杂的环境界面，其中蕴含着减量化、再利用、再资源化（3R）的可能性。

　　钢厂的上述特点，特别是物质、能量、资金、时间、空间等五因素的高度集中，启发了对钢厂功能拓展的思考，结合钢铁工业环境保护、清洁生产、绿色制造等研究进程的演变，我们认识到在未来的发展过程中，钢厂由于其制造流程的特点，应该具有三类功能———钢铁产品制造功能、能源转换功能和排放物、废弃物处理－消纳和再资源化功能，并通过功能的拓展融入循环经济社会中去。

　　3 钢铁制造流程的目标

　　研究新世纪钢铁制造流程的目标是通过新世纪流程的整体集成优化来解决流程系统的功能优化、结构优化和效率优化。进而在更大尺度上解决不同类型钢铁企业的结构－模式和市场竞争力，解决企业经济效益、环境－生态效益和社会效益的统一。

　　新世纪钢铁制造流程的目标：

　　我国新世纪钢铁制造流程研究的重点目标是要在21世纪的时代背景下，自主集成生产平材（及其深加工产品）的大型钢铁联合企业的工艺流程和装备，以支持新一代钢铁基地（例如曹妃甸钢厂等）的建设和现有钢厂的改造。在流程整体优化的基础上使我国钢厂再节能15％～20％，使钢的使用效率提高5％～15％，解决若干高附加值产品的开发和创新问题。新世纪钢铁制造流程不仅具有良好的钢铁产品制造功能，而且还具有能源转换功能和废弃物处理－消纳和再资源化功能，推动钢厂融入循环经济的进程中去。

　　新世纪钢铁制造流程研究的内涵

　　由于钢铁制造流程是由功能各异的不同工序串联起来、集成运行的系统，所以新世纪钢铁制造不可能也不必要对每一工序的工艺、装置全部进行替代性的更新，来重新构筑完全不同于现有制造流程的新流程。所谓新世纪钢铁制造流程应是建立在若干现有先进工艺、装备的基础上，与新开发的工艺、装备以及新开发的“界面技术”集成起来，而重新构筑的工艺制造流程。其重点是：

　　1．共性平台技术：例如高效率、低成本的洁净钢生产技术平台等；

　　2．动态－有序运行的界面技术：即工序之间、车间之间衔接匹配、协同、缓冲技术等，例如高炉－转炉之间的界面技术，炼钢－连铸之间的界面技术，连铸－热轧之间的界面技术，热轧－冷轧之间的界面技术等；

　　3．流程工程集成技术：例如流程网络（平面图等）的合理配置技术；若干关键装备的创新设计和制造技术；物质流－能量流－信息流动态－有序的信息调控技术等。

　　4．系统、高效的能源转换技术：例如CDQ、TRT、CCPP等发电技术，能源梯级利用技术，甚至包括万吨级制氢技术等。

　　5．废弃物资源化利用技术：包括废钢、废塑料、废轮胎等废弃物的消纳、处理等；

　　6．产业链接技术：包括钢厂－水泥厂－发电厂－石化厂－化工厂－造船－集装箱制造－物流业等循环经济示范区的建设；

　　7．流程物理模型和虚拟现实技术：包括钢厂流程动态－有序运行的物理本质研究以及建立在动态优化模型、信息技术和可视化技术等基础上的虚拟现实等。

　　总之，新世纪钢铁制造流程的研究开发，要体现创新的精神，要拓展钢厂功能，实现钢铁产品制造功能、能源转换功能和排放物、社会废弃物消纳－处理和再资源化功能。