由中国金属学会主办、北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室和中国金属学会连铸分会协办的“2015年全国炼钢-连铸过程协同优化学术研讨会”于2015年7月27－29日在天津召开。会议主题是：“精准控制工艺过程，动态协同生产管理，实现炼钢-连铸高效生产。”会议邀请了包括学会、高校、设计单位、钢厂和生产辅助企业的17位专家作了专题报告，共有来自钢铁企业、高校、科研院所及设备制造单位的80多位代表参加了此次会议。中国金属学会副秘书长高怀、生产技术与书刊部主任孔令航，中国金属学会专家委员会副主任委员李文秀教授、专家委员苏天森教授和北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室副主任、连铸分会副主任委员刘青教授等出席会议。会后组织代表们参观了天津钢铁有限公司炼钢-连铸车间。
本次研讨会主要围绕炼钢-连铸过程关键工序工艺控制的精准性、过程控制与生产调度的协同优化、钢铁企业信息化与智能制造等问题进行了深入的探讨。
1．炼钢-连铸过程工艺精准控制与优化
炼钢-连铸过程是钢铁生产的核心区段，是产品品种、规格和质量形成与控制的关键环节，也是全流程生产运行控制的难点。炼钢-连铸过程的工艺精准控制和运行优化是实现整体流程动态-有序、紧凑-连续运行和钢铁智能化生产的重要基础。近年来，中国炼钢-连铸技术在一系列措施支撑下，从点、位性装备技术（结晶器技术、电磁冶金、转炉滑动水口出钢等技术）到流程层次优化技术（一包到底、转炉预脱磷、恒拉速连铸技术等），开发与应用一批炼钢、连铸工艺与装备新技术，主要技术经济指标有了长足的进步。炼钢-连铸过程工艺精准控制与优化技术主要有：
（1）“一罐（包）到底”技术
“一罐（包）到底”技术是铁水包从炼铁厂准确计重接铁→最短运输距离送到钢厂→进行铁水高温预脱硫→直接兑入转炉冶炼，是在高炉-转炉界面将铁包进行多功能化应用的技术集成包。此工艺促进了炼铁-炼钢工序界面的紧凑高效衔接，大大减少了传统工艺倒罐的时间、热损失与对环境的污染，稳定入炉铁水的成分、温度和重量，总图布置更加紧凑，降低投资与运行成本。目前，铁水包多功能化技术在首钢京唐、重钢长寿新区、沙钢、新余钢厂都已成功应用。首钢京唐公司应用“一包到底”技术，高炉和转炉间铁水运输最短距离仅900m，加上铁包运输加盖技术的应用，铁水运输过程温降仅为60～90℃，铁水进KR脱硫的温度达到1380℃以上，为KR脱硫提供了良好的热力学和动力学条件，铁水处理后平均铁水硫含量控制在10×10-6以内，5×10-6以内比例达到70%以上，各项生产指标达到甚至超过设计水平，达到国内领先水平。
（2）转炉预脱磷、脱硅技术
转炉少渣冶炼技术在我国有两种典型代表：一是首钢京唐钢铁公司炼钢厂为代表的铁水罐多功能化→专用脱磷炉→专用脱碳炉→RH→高拉速板坯连铸机全新工艺流程；二是铁水预脱硫→转炉双渣、留渣少渣炼钢→精炼→连铸工艺流程。
首钢京唐钢铁公司采用“脱磷+脱碳”转炉冶炼工艺，冶炼过程中加入的总渣量要比常规冶炼低，各项消耗大幅降低。脱磷炉+脱碳炉石灰消耗≤25kg/t（脱碳炉≤11kg/t），总渣量平均为59.7kg/t，比常规冶炼低28.4%。脱磷三命中率达到80%以上，终点双命中率达到90%，脱磷炉半钢[P]≤0.034%、[C]≥3.425%，生产周期控制在25min以内，脱碳半钢周期控制在35min以内。转炉少渣冶炼技术与溅渣护炉工艺的结合，实现了转炉底吹与炉龄同步，碳氧积全炉役控制水平达到0.00228的水平，为实现洁净钢生产奠定基础。
（3）转炉滑动水口出钢技术
转炉滑动水口出钢技术逐渐在转炉钢厂推广应用。这一技术由2002年转炉炼钢厂厂长考察团在德国萨茨吉特钢厂所见，国内首先在福建三钢1号转炉（80t）上得到应用，显示了良好的挡渣效果，可大幅度降低出钢脱氧过程中的合金消耗，并降低精炼工序的负荷。该技术很快受到生产板材和高合金比钢种为主的钢厂的关注和采用，取得了良好的效益。目前较先进的钢厂滑板寿命已可达24～26次，一般的寿命也在10次以上，可以实现和板坯连铸机的连浇炉数匹配，更换时间最短可小于10min，钢包内渣层厚度可降至25～40mm。
为了提高炼钢的节奏，减少吨钢成本消耗，降低工人的劳动强度，目前，转炉滑动水口出钢口怎样改进滑板结构、延长寿命，缩短更换时间，优化出钢口形状保证挡渣良好的情况下少留余钢等问题尚有待进一步研究和创新。
（4）转炉计算机全自动炼钢技术
随着国内炼钢-连铸生产设备大型化和现代化的发展，不少钢厂积极研究开发和推广转炉自动化炼钢工艺技术，以各生产环节准确计量为基础，通过终点副枪动态控制或吹炼过程炉气分析实现炼钢过程计算机自动控制，进一步提高转炉终点碳和温度的控制精度与命中率。
武钢自主开发了无副枪计算机炼钢技术、模拟副枪技术、优化了吹炼模式，实现了从吹炼条件的确定到吹炼过程控制、动态预测和调整、自动提枪，全部由计算机控制。2014年武钢转炉一键炼钢率达到92%，终点碳、温双命中率平均达到90%以上，无后吹炉次的一次倒炉出钢率均超过90%。首钢京唐公司专用脱磷转炉+专用脱碳转炉炼钢工艺为高水平的计算机全自动化炼钢创造了良好的条件，一次倒炉出钢率>95%，最高月份达97%，对稳定生产、提高效率、降低消耗有良好的作用。另外，莱钢通过入炉原料的精准控制，以少渣冶炼、智能炼钢、滑板挡渣、底吹可视化等为基础，实现转炉过程稳定高效控制，自动炼钢比例达到90%，终点碳、温双命中率达到85%。
（5）高效恒拉速/高拉速连铸技术
近两年来，高效恒拉速/高拉速连铸技术在板坯、方矩坯连铸机上被广泛推广应用，炼钢、精炼、连铸各工位的定时、定温、定质、定量的等节奏高效化生产也紧密与之配合，实现了动态-有序-协同-连续运行，全厂设备协同、顺畅运转方面也进一步优化。实现恒速浇注的关键技术是：优化转炉、二次精炼与铸机的协同、匹配，合理确定不同钢种的典型拉速和浇钢时间；加强工序时间控制，采用计算机在线进行生产调度；加强钢水温度控制，稳定过程温降。
首钢京唐公司通过结晶器冷却参数优化、电磁制动技术、开发高拉速专用保护渣、夹杂物控制技术和加强设备维护等系统保障措施，实现月恒拉速时间控制在96%以上，板坯铸机的最高拉速由1.7m/min提高到2.5m/min，最短生产周期缩短到33min。另外，武钢、莱钢和石钢等钢铁企业均对恒拉速连铸技术的实施情况进行了相应介绍，提出加强工艺、设备和生产过程的管控是实现恒拉速连铸的关键。同时，提出实施高效恒拉速连铸技术，还应优化不同钢种相适应的高效恒拉速/高拉速连铸最佳拉速参数，研究与之相应的炼钢厂内各工位间的物质、能量、信息传递与控制的最佳方式。
除上述转炉炼钢-连铸过程共性技术外，宝钢研究院自动化所开发了基于仿真的电渣重熔过程工艺优化和控制技术，重点介绍了ESR工艺特点、面临问题，并对其工艺目标进行了简述。基于多物理场（电磁场、流场、温度场等）耦合计算，自主研发了用于ESR全过程瞬态模拟的数学模型及仿真软件，实现了自电极熔化起始直至铸锭模冷结束的全过程、全区域的瞬态模拟计算，给出不同参数输入条件下的温度场、熔池及两相区尺寸以及基于物理场信息计算的凝固参数信息（如局部凝固时间、枝晶间距、黑斑形成判定参数等），为工艺质量分析、优化及新工艺研究提供了重要依据。
2．炼钢-连铸过程的协调运行和生产调度
随着近几年新品种开发、市场拓展以及市场的急剧变化，钢铁企业多品种、多规格、小批量订单的生产特点越来越明显，客户对合同按期交货要求越来越高。在此环境下，如何高效率、低成本组织生产，如何实现生产工艺控制技术升级、生产流程控制水平提高以及生产调度协同优化，已成为钢铁行业流程管控领域需要深入探索的重要问题。针对该问题，与会专家从钢铁生产流程的仿真优化技术，炼钢-连铸过程的炉-机匹配，生产计划与调度理论、算法以及钢铁企业生产计划与调度的实施与效果等方面进行了深入交流。
（1）炼钢-连铸过程的炉-机匹配问题
高效连铸技术的发展加快了生产节奏，市场的影响使得钢厂订单越来越趋向于多品种、小批量，造成单台设备承担多钢种共同生产任务的现象在国内钢铁企业普遍存在，各工序间的协调匹配对整体流程的高效、协同、稳定运行亦具有重要作用。
北京科技大学刘青教授团队针对弹簧钢/普通钢混合型长材特殊钢厂炼钢与连铸工序间的协调匹配问题，在钢铁生产流程的物质流参数解析基础上，从单元设备、工序、全流程三个层面解析产品结构和产能的关系，提出一种依据产品结构对工序、设备产能进行决策的方法，并提出了当量周期和炉机匹配度（某一炼钢炉与各连铸机之间“对应唯一性”的量化评价指标，数值范围为0～100%）与机炉匹配度（某一连铸机与各炼钢炉之间“对应唯一性”的量化评价指标，数值范围为0～100%）等量化评价方法，对方大特钢炼钢厂“炉”与“机”之间匹配程度进行量化分析，得出方大特钢实现各工序最大产能的产品结构为品种钢比例控制区间52.9%～58.8%。应用后，显著改善了弹簧钢/普碳钢生产流程的工序匹配模式，与2010年相比，2012年提高产量近70万t。
（2）钢铁生产流程的仿真优化技术
钢铁生产流程仿真技术是分析、诊断和优化钢铁生产过程高效、有序、协同运行的瓶颈环节的有效方法和手段。中冶赛迪公司基于流程仿真技术，开发了ICS及OCS服务模式，将管理咨询与技术咨询相结合，实现炼钢-连铸高效/低耗/低成本生产。从项目的规划、设计、实施到运营全流程服务，以提升钢铁企业的竞争力，主要包括总体工艺方案优化、总图优化、能源流优化和铁素流优化等。通过建立完善的数据库，支撑目标钢厂在物质流、能量流、信息流和成本流方面快速找到可以外部对标的有效数据。同时，运用流程仿真技术寻找不同生产状况下最优操作策略以降低成本，对炼钢厂主要钢种的生产调度进行分析诊断，对现有生产调度和钢包等的周转率提出优化建议，另外，模拟不同情境下设备故障，分析设备故障影响范围、设备故障需解除的时间等，得出设备解除预案。
（3）炼钢-连铸过程生产计划与调度理论
在订单驱动的钢铁制造模式下计划调度是钢铁制造流程协调运行控制的主要技术手段。钢铁生产的计划与调度具有大规模整数、多目标、复杂非线性和动态实时环境约束等特点，常规建模和优化方法难以直接运用，而人工调度方法又难以实现资源优化，因此，迫切需要研究适合钢铁生产计划与调度特征的最优化与智能优化方法。
东北大学唐立新教授归纳了生产计划与调度的共性建模与优化方法，主要包括基于数学规划（如拉格朗日法等）、启发式算法和智能优化算法（基于种群算法和基于邻域算法）三类近似求解优化算法。针对炼钢-连铸“火车时刻表”调度问题，分别提出基于连续时间建模策略的半自动炼钢-连铸生产调度优化方法、基于离散时间建模策略的全自动炼钢-连铸生产调度优化以及基于批调度方法的全自动排产炼钢-连铸生产调度优化，并采用拉格朗日松弛算法、混合多目标进化算法、动态差分进化算法等进行求解，在国内外学术界产生较大影响。
重庆大学郑忠教授提出，静态调度模型需要考虑钢厂生产对象及条件的不确定性，包括加工设备之间衔接关系的不确定性、加工设备使用状态的不确定性、炉次加工工序路径的不确定性、加工时间和运输时间的不确定性等；动态调度模型需要考虑计划执行过程中的随机扰动，包括炉次变化、炉次的加工条件和效果的扰动。另外，需加强铁钢界面生产物流与调度计划的匹配决策研究，引入“补丁”式计划模式，解决连铸-热轧衔接问题。
北京科技大学刘青教授团队联合方大特钢，提出炼钢-连铸过程“规则+算法”的精细生产计划与调度技术。在炼钢-连铸生产流程解析与运行优化研究的基础上，建立了基于调度规则库和遗传算法的炼钢-连铸生产调度模型，根据炼钢厂运行的“炉机对应”原则，运用柔性工序缓冲调节策略，协调优化炼钢、连铸工序间的生产节奏，与冶金工艺模型的调控相融合，求解不同生产模式下的调度方案，构建基于生产模式优化、柔性工序缓冲、生产运行优化的炼钢-连铸过程调度系统，实现基于“炉机对应”的炼钢-连铸过程动态生产调度。
（4）钢铁企业生产计划与调度技术应用
在目前持续恶化的市场环境下，如何在订单小、品种多、合同兑现要求高的条件下做到高效率、低成本组织生产，是炼钢-连铸过程生产管控的重要任务。各钢铁企业针对各自生产工艺、产品结构和订单特点，围绕炼钢-连铸过程生产组织和计划与调度的实施开展了详细交流。
首钢京唐公司面临品种牌号多、短浇次多、钢轧界面生产组织难度大等排产难点与特点，实施一系列信息化排产及异钢种连浇技术，主要包括：①创造异断面、异钢种连浇；②Fill虚拟板坯解决小订单创建浇次；③建立“列车时刻表”排产系统；④产品专线化生产。
河北钢铁集团石钢公司自主开发了以大宗原料平衡、铁前配比、铁钢、坯材、材收货、材入库、材出库七大平衡为基础的“一个流”精益生产管控信息化系统，最终实现“周密计划、监控异常、快速反应、及时调控、流程优化、精准高效”的管控思路。
山钢集团莱芜分公司按照不同钢种的工艺流程、各工序标准工艺时间以及炼钢-连铸协同配置要求，通过建立“专线化生产、生产时刻表和调度组织模型”三个模块，并开发质量识别系统、设备点检定修系统、安全量化监督检查系统和成本精细管控体系，实现了均衡、稳定、高效、低耗的精益生产组织模式和炼钢-连铸过程的协同优化。
北京科技大学与方大特钢针对钢厂制造执行系统（MES）与工艺控制、流程协同运行、生产计划与调度系统之间的数据“脱节”问题，研发钢铁生产工序工艺控制与MES之间的数据接口（持续运行的数据传输与处理系统），用MES采集、存储的大数据驱动工艺精准控制、流程优化运行、生产精细管理，使MES与生产工艺控制、流程运行控制、生产计划与调度系统的有机融合。应用后，方大特钢弹簧钢生产连浇炉数增加4炉，总生产运行时间缩短141min，工序等待时间缩短974min，柔性工序周期波动时间缩短近60%。
河北钢铁集团宣钢公司针对铁-钢界面不匹配、多品种小批量生产特点，动态优化原料机构，强化铁-钢动态平衡和能源供给，探索出一套铁前降本钢后增效的长材生产组织模式，以冶铸轧MES（RMES）为工具，实现销售排产、在线动态排程、仓储存放、成品外发一体化管控。
3．钢铁企业信息化与智能制造
近年来，随着信息、控制与冶金工艺技术的发展，基于大数据和云计算的钢铁智能化生产是现代钢铁发展的必然趋势。“十三五”时期，我国钢铁行业发展的总体任务是实现绿色化、智能化钢铁制造流程及品种技术集成研发与应用。
（1）智能化钢铁生产的涵义
中国金属学会专家苏天森教授将“智能化钢铁生产”定义为：按照人们对钢铁产品的需求和性能要求设定的工艺路线，实施基于大数据和云计算的计算机全自动、高精度控制协同管理、控制生产全过程和全部设备的钢铁生产模式。包括了三个方面的基本涵义：①基于大数据和云计算的计算机全自动、高精度控制管理；②对产品和全工艺过程的协同控制管理；③是对生产全过程和全部生产设备的协同控制管理。
智能化钢铁生产可以实现以下基本目标：①各生产环节（包括购销、制造直至服务）的最优化衔接，保证最佳运行；②工艺和装备生产效率最高，产品质量最佳；③物耗、能耗和污染物排放最低化的绿色生产；④生产成本的最低化。苏天森教授指出，基于大数据和云计算的钢铁生产智能化发展方向已是确定无疑的趋势。
（2）智能化冶金设备与服务
智能化冶金设备将成为智能化钢厂运行的重要保证，加快研发与应用智能化冶金设备是中国钢铁科技自主创新引领世界的重要任务。中国重型机械研究院股份公司正在以智能制造为契机，建立完善的以钢种为核心，以工艺为基础，以精细化和智能化为保证，以质量为目标，以服务为理念的发展模式。主要包括以下措施：
① 结合“智能化技术”和“大数据云技术”国家发展战略对传统冶金行业连铸生产线进行智能化转型升级，搭建智能化的连铸生产整体架构，集成连铸单机级智能化技术，从工艺与设备两方面对连铸生产线进行远程监控与维护，实现连铸生产线的全局智能化。
② 建立了高品质特殊钢连铸技术创新工程实验室，为转型升级提供理论平台，主要包括连铸仿真与云技术实验室，基于PXI技术的水模拟实验平台，特厚板坯二冷区传热特性实验平台和高品质特殊钢种热物性参数数据库。
③ 借助智能化技术和云平台为钢铁企业提供全方位服务，包括新钢种开发、设备运行状态远程监控、产品生产操作参数优化和质量远程诊断与服务等。
（3）钢铁智能化生产大数据技术
“大数据”（Big data）或称巨量资料是大小超出常规的数据库，是获取、存储、管理和分析能力的数据集。对流程工业（如钢铁工艺）来讲，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程装备优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。如何有效地挖掘钢铁企业大数据的价值，是快速推进智能化的关键。
湖南视拓信息技术股份有限公司总结出炼钢IT系统中数据统计分析的主要问题包括：数据架构失控；元数据管理混乱；数据标准缺失；数据增长迅速；数据响应慢；数据价值体现难。该公司采用了列式存储和Spark内存分布式计算，解决了上述问题，并以大数据报表应用和决策数据分析应用为例，介绍大数据技术优化炼钢生产的应用研究。
4．总结与展望
本次研讨会从炼钢-连铸过程关键工序工艺控制的精准性、过程协调控制与生产调度和钢铁企业信息化与智能制造三个方面对钢铁企业炼钢-连铸过程协同运行所涉及的共性技术和问题进行了深入的交流和讨论。同时，会议对我国炼钢-连铸过程技术的发展方向进行了展望：①实现绿色环保炼钢；②提高信息化水平，无缝信息采集，人、机、料、法、环等数据全息入数据库；③构建企业、行业大数据库，利用大数据技术建立设备远程监测维护系统、生产质量预测系统和生产管理考核系统等；④低成本制造新技术研究，包括转炉全方位信息检测与控制技术、连铸全自动浇铸技术、铸坯质量在线监控和预报技术等。
与会代表们一致认为本次研讨会召开得非常好，大家在深入交流与讨论中分享了认知、形成了共识，取得了丰硕的成果，这是中国金属学会第一次举办这样的会议，达到了预期的目的，对今后我国实现炼钢-连铸过程的协同优化，促进中国钢铁企业智能制造及生产管控技术的发展具有重要意义。
（撰稿：北京科技大学 王宝）
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