钢铁制造流程中的智能制造与智能设计：关键技术与发展趋势分析

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全文如下

钢铁制造过程的智能制造与智能设计

解建新 1,2, 张福明 2,3

（1.北京首钢国际工程技术有限公司战略技术部，北京 100043；2.北京冶金三维模拟设计工程技术研究中心，北京 100043；3.首钢集团有限公司工程总室.（北京100041）

摘要：分析了智能制造和钢铁制造过程智能设计的主要内容。钢铁制造流程智能制造包括智能流程设计、智能流程生产运行、智能流程管理、智能流程供应链和智能流程服务系统。钢铁制造过程智能设计包括基础科学研究，利用CAE三维仿真设计分析计算技术；技术科学研究，采用机械三维仿真设计技术；工程科学研究，采用数字三维仿真工厂设计技术。在钢铁制造过程中实现智能制造，智能设计不仅是智能制造的关键环节，而且起着主导作用。没有先进的智能设计，就很难有先进的智能制造。我们必须高度重视智能设计在钢铁制造过程中的作用和意义。 ，智能设计的先进水平决定了智能制造的先进水平和未来。

关键词：钢铁制造工艺；智能制造；智能化设计；数字三维模拟

制造业是国民经济的主体、立国之本、兴国之器、强国之本。建设具有国际竞争力的制造业，是我国提高综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。改革开放以来，我国制造业持续快速发展，建立了门类齐全、独立完整的工业体系，有力推动了工业化、现代化进程，综合国力显着增强，支撑了世界强国地位。力量。但与世界先进水平相比，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面还存在明显差距，我国制造业转型升级、跨越式发展的任务是紧迫而艰巨。面对新的国际国内环境，我国立足国际产业变革大势，实施“中国制造2025”，全面提升我国制造业发展质量和水平，改变我国制造业转型升级的局面。 “大而不强”，把中国建设成为具有全球领导力和影响力的制造强国。

智能制造是落实“中国制造2025”的重要举措。智能制造是新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合的基础。它贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能。新的生产方法。实现制造业数字化、网络化、智能化发展，数字化是基础，网络化是关键，智能化是方向。加快发展智能制造是培育我国经济增长新动能的必由之路。抢占未来经济科技发展制高点是战略选择。对于推动我国制造业供给侧结构性改革、打造我国制造业竞争新优势、实现制造强国具有重要价值。具有重要的战略意义。

尽管智能制造和智能设计的手段多种多样，但数字三维仿真设计技术是实现智能设计的唯一先进手段。没有数字化设计，智能设计就没有实现智能化的数字化基础，更谈不上实现虚拟仿真设计。 。首先是智能制造和智能设计，其次是智能制造。这是两者之间的内在联系。因此，需要优先发展智能设计，进而带动智能制造发展。

制造业包括流程制造和离散制造。钢铁制造过程是典型的流程制造业。钢铁制造过程智能制造是制造业实现智能制造的重要组成部分。智能设计是钢铁制造过程中不可或缺的一部分。智能制造的关键而重要的环节。

钢铁制造过程中智能制造的主要内容

1.1 钢铁制造过程中智能制造的内涵和构成

钢铁制造过程智能制造包括智能工艺设计、智能过程生产运行、智能过程管理、智能过程供应链和智能过程服务系统等。钢铁制造过程智能制造的内涵应该是提高钢铁制造过程的价值。钢铁制造过程的三大功能：“产品制造、能源转换、废物处理和资源利用”，基于物质流网络、能量流网络、信息流网络的关联和连接。协同集成，将物联网、大数据、云计算等信息手段与钢铁制造过程的设计、运营、管理、服务等环节深度融合，实现深度信息自感知、智能自感知-决策、精确控制、自动执行、自适应等功能，可有效优化钢铁制造工艺结构，特别是动态作业结构，提高整个作业过程的智能控制和管理水平。其主要内容是：（一）以提高产品质量为目标，通过生产操作参数“窄窗口”优化，提高大宗钢材和关键钢材质量的稳定性、可靠性和适用性，实现产品质量品牌化。 （二）以减少资源能源消耗和过程排放为目标，实现清洁生产，环境友好，促进绿色发展。 （3）形成采购、生产、销售、物流、用户服务等多重目标优化的智能商业模式。 （四）加快企业资金流动，提高资金利用效率，进一步增值。 （五）延伸产业链，推动低碳经济、循环经济发展。 （六）加快钢铁产业转型升级。

1.2 钢铁制造过程中智能制造的具体内容

钢铁制造过程智能制造是钢铁企业的整体解决方案。其具体内容包括以下几个方面：（1）钢铁制造过程的智能化设计。它是数字物理系统的先驱，也是建立先进物理系统（钢铁制造工艺）的起点；同时，这个物理系统及其构成的硬件网络将有利于数字信息的便捷高效整合。智能设计是对智能物质流、智能能量流、智能信息流综合研究的综合规划。 (2)智能化流程生产运行。它涉及从焦化、烧结到轧钢生产过程中物质流、能量流和各种信息流的动态运行、盛衰，即动态变化的“三流”必须实现自我感知、自我决策，并通过智能制造平台进行自我控制。为了执行和适应，生产过程需要采用先进的传感设备、仪器仪表、各类自动化控制、制造平台和可视化等关键共性技术。 (3)智能化流程管理。是涉及企业战略目标、金融资本运营、客户服务，并延伸至经济社会相容性等高层目标决策和执行的战略性高层综合判断、决策和执行系统。 、延伸产业链，推动低碳经济、循环经济发展，促进钢铁行业转型升级。 (4)智能流程供应链。它涉及物资采购、储存、运输和合理配送，涉及产品订单、运输、储存和销售的高效合理化。是企业物流输入输出的智能化问题。 (5)智能流程服务系统。涉及采购、生产、销售、物流、用户服务等智能化商业模式，目的是提高资金利用效率，加速企业资金流动，进一步增值。

实现钢铁制造流程智能制造，应在深刻理解流程动态运行物理本质的基础上，从流程运行要素和流程物理模型入手，构建全流程网络化、层次化的信息流模型。优化运营网络和运营方案。通过工艺功能集的分析与优化、工艺间关系集的协同优化、工艺流程集的重构与优化，实现整个钢铁制造工艺结构的优化、功能的拓展，以及产业生态的构建和有效运行。公园终于实现了。

钢铁制造过程智能设计的主要内容

智能设计是指应用现代信息技术，利用计算机模拟人类思维活动，提高计算机的智能水平，使计算机能够更多更好地承担设计过程中的各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。钢铁制造过程智能设计包括三个方面：一是基础科学（研究尺度是分子和原子的大小），研究科学合理性，利用CAE三维仿真设计分析计算技术，模拟研究冶金工艺过程。 、温度场、流场等；二是技术科学（研究尺度是工艺或装置尺寸），研究技术的可行性，采用机械三维仿真设计技术，对冶金装置的优化进行仿真模拟研究；三是工程科学（研究尺度为制造工艺或车间规模），研究工程项目的整体性、系统性、协同性优化，利用数字三维仿真工厂设计技术，模拟研究整个钢铁制造的优化实现设计、施工、运维一体化。也就是说，在钢铁制造过程物理系统构建之前，通过智能设计将钢铁制造过程物理系统虚拟化，从基础科学研究、技术科学研究和技术研究三个层面进行虚拟仿真研究。工程科学研究，并提出改进、优化和创新。钢铁制造过程物理系统，为钢铁制造过程智能制造提供全部数字化基础数据，使先进钢铁制造过程物理系统的智能制造真正实现。

2.1 钢铁制造全过程的智能化设计

(1)研究构建动态精密设计系统。以焦化、烧结球团、炼铁、炼钢、轧钢、工业炉窑、冶金装备、能源与环境、电气与自动化、建筑工程设计及钢铁制造过程中的关键共性技术为研究对象，“三流”以工程科学“一态”和耗散理论为指导，通过采用先进的三维仿真设计技术，实现了数字化三维工厂设计和钢铁制造过程关键共性技术的突破。研究方向是构建基于动态、精准三维仿真设计的循环经济理念的钢铁制造工艺，打造具有钢铁产品制造、高效能源转换“三大功能”的现代钢铁制造工艺、废物消耗和资源利用。 ，基于动态精密设计理论和数字三维设计系统，构建三维仿真设计、仿真研究、虚拟现实的高效精准设计平台。

（二）研究开发现代钢铁制造工艺技术和装备。通过对焦化生产、烧结球团生产、炼铁生产、炼钢生产、轧钢生产等过程进行数值模拟，可以实现钢铁制造工艺技术和装备技术的精确计算和设计优化，从而提高钢铁生产产品的质量。降低产品成本，全面提升钢铁企业市场竞争力和可持续发展能力。发展以蓄热式燃烧、分级加热、低氮氧化物排放为基础的现代大型捣固焦炉系统技术，实现煤炭资源高效利用，降低资源能源消耗；发展现代化球团工艺，实现高效、低耗、低排放，减少粉尘、SOx、NOx、二恶英等污染物排放；应用三维模拟技术研究冶炼还原、直接还原和“三传一反”现象的冶金过程，建立数学模型，应用CFD数值模拟技术分析气体运动、燃烧、传热、质量转移等传输过程，开发具有工程应用可行性和可靠性的冶金装置；通过应用冶金过程集成理论和方法，建立数学模型，以非线性数学规划、动态甘特图等为研究手段，优化钢铁制造过程中铁素体物质流和能量流的运行，开发可靠、可靠的冶金过程集成技术。适用接口技术，提高钢厂运行效率和能源转换效率。

（三）打造先进冶金三维仿真设计技术应用研发平台，推动三维仿真设计技术在钢铁行业的全面推广应用，为实现钢铁制造数字化、智能化奠定基础流程。

2.2 钢铁制造过程中各工序的智能化设计

（1）焦化过程智能化设计：基于蓄热式燃烧、分段加热、低氮氧化物排放的现代大型捣固焦炉系统技术，实现煤炭资源高效利用，降低资源能源消耗。实现焦炉数字化三维仿真工程设计、焦炉生产过程三维仿真分析计算等，全面实现焦炉主要设备、炉体砖砌、管道等三维仿真设计。对焦化工艺能量转换、焦炉加热、设备运行等工艺流程进行仿真研究，建立基于甘特图的动态精准运行体系，实现动态运行管理。

（2）烧结球团工艺智能化设计：研发现代化球团工艺，实现高效、低耗、低排放，减少粉尘、SOx、NOx、二恶英等污染物的排放。利用三维模拟技术分析烧结、球团过程的燃烧、传热、传质、动量传递，控制合理的冶金反应过程，研发低碳厚料层烧结工艺和新型球团焙烧工艺；对成球、预热、烘烤等过程进行了数学分析，并与实验结果进行了比较。对结果进行对比研究，提高烧结球团生产效率，降低能耗；建立三维模拟模型和物理模型，开发研究烧结球团干法脱硫脱硝新工艺；开展烧结球团数字化三维仿真工程设计、烧结球团生产过程三维仿真分析计算等。

（3）炼铁过程智能设计：基于三维仿真设计技术，研究冶炼还原、直接还原和“三传一反”现象的冶金过程，建立数学模型，应用CFD数值模拟技术分析气体运动、燃烧及传热、传质等传递过程，开发具有工程应用可行性和可靠性的冶金装置和装备。在高温低氧热风炉、煤气干法除尘（TRT）、无料钟炉顶、炉前设备、炉渣处理、热能等多个技术领域进行三维仿真设计与开发CFD、FEM等模拟研究，建立数学模型和物理模型，研究高炉关键设备的设计，开发设计软件，实现准确的设计，完成炼铁数字三维仿真工程设计、炼铁生产过程三维仿真分析计算等。

（4）炼钢工艺智能设计：以冶金工艺集成理论和方法为基础，建立数学模型，采用非线性数学规划、动态甘特图等研究方法，优化铁氧体物料流程和操作。钢铁制造过程中的能量流。开发可靠适用的接口技术，提高钢厂运行效率和能源转换效率。建立模拟模型，研究铁水脱硫、脱磷、脱硅预处理过程的热力学和动力学机理，提高处理效率，降低资源能源消耗；完成炼钢-精炼-连铸工艺的数字化三维模拟工程设计及精炼。钢铁生产过程三维模拟分析计算等

（5）轧钢生产工艺智能化设计：以高效连铸连轧为重点，实现铁素体资源高效利用和能源高效利用。开展大型宽带钢热轧项目三维仿真设计，建立三维仿真设备信息管理系统，为高效生产运营管理提供支撑。以仿真模型研究为基础，开发高性能、高质量钢材加热、轧制及热处理仿真工艺，研究钢材轧制过程的变形、相变和温度变化规律，开发和研究基于轧制技术的现代钢材轧制新技术。控制轧制和控制冷却，不断改进棒线材高效轧机仿真设计，开发新型多功能轧机，完成钢材轧制数字化三维仿真工程设计，三维轧钢生产过程模拟分析计算， ETC。

（6）工业炉技术与装备智能化设计：基于三维仿真模型，对燃料燃烧、气体运动和加热过程进行系统研究，对蓄热式燃烧、高温低氧燃烧、通过CFD数值模拟计算分析了全氧燃烧。工艺特点和优势，研究基于高温低氧燃烧的工艺，降低燃料消耗，减少NOx、CO2等污染物排放，发展现代化燃烧加热装置，大幅降低燃料消耗和污染物排放，提高能源转换效率和热能利用效率。利用三维仿真设计技术开发新型高温环形加热炉、转底炉、高温低氧加热炉等热工炉，完成三维仿真设计和三维数字样机开发其附属设备，研究钢厂粉尘处理改造。炉底直接还原新工艺开发，形成配料、球团、焙烧、冷却、气体处理等全流程的数字化三维虚拟工厂作业，以此为示范，在烧结球团矿、焦化、炼铁、炼钢、轧钢等工艺推广应用。开展工业炉数字化三维仿真工程设计、工业炉坯加热过程三维仿真分析计算等研究工作。

（7）冶金设备智能化设计：冶金设备设计属于产品设计和工业设计范畴，与工程设计不同。以大型关键冶金装备三维仿真设计与开发为研究内容，建立三维模型，利用FEM等分析软件进行计算分析，开发数字样机，研究力学和热力学变化建立设备工作状态下的应力场、应变场和温度场。多场耦合三维仿真研究模型，结合物理样机的设计、开发和实验测试，完成现代冶金装备的工程应用。在三维仿真机械设计的基础上，将三维设计成果延伸到装备制造，在3D-CAD的基础上形成3D-CAM，进一步推动数字化设计和数字化制造行业的技术进步。开发紧凑型高炉无料钟设备、高炉炉前液压设备、炼钢转炉悬挂及驱动装置、高效板坯、方坯连铸机、连铸方坯动态冷却与结晶控制、高效棒线材轧机、钢铁深加工装备具有自主知识产权的现代冶金装备，在设备可靠性、经济性、耐用性、节能性等方面取得突破，替代国外同类产品，出口国外参与国际竞争。

（8）能源与环境系统智能设计：打造以降低能源消耗、实现高效能源转换为目标的系统节能体系。建立数学模型，科学评价能量输入、转换和输出过程。以数学模拟计算为研究方法，建立以碳能流为核心的冶金能流网络，减少过程耗散，减少CO2排放，实现能源高效利用。

冶金能源技术领域重点研发内容：建立冶金厂能量流网络模型，利用数值模拟研究科学合理的能源利用，提高能源转换和利用效率；建立钢铁制造过程三维模拟能源管网系统，合理配置能源。减少耗散；完成制氧、余热锅炉、热电厂、CCPP等单元工艺的工厂及管网三维仿真设计；建立余热利用-发电-完成与海水淡化等多个过程耦合的能量转换网络三维仿真设计，建立多效能量转换数学仿真模型；深入研究钢厂水资源高效利用，建立数学模拟模型和工艺网络，实现“一水多用”、“梯级利用”、“高效循环利用”，实现“零排放”污水处理；开展冶金能源工程数字化三维仿真设计和三维仿真分析计算。

环保技术领域重点研发内容：加强钢厂粉尘、烟尘、污水、SOx、NOx、CO2等污染物及温室气体的动态数值研究，建立数学模型，运用数学分析方法进行研究各种产生、排放、收集、处理和回收类似污染物的有效方法；利用三维仿真设计、开发和研究新型高效除尘器和高效脱硫脱硝装置，实现三维样机开发；利用CFD数值模拟计算研究粉尘和烟雾的产生和运动模式，开发新型捕集和气力输送系统；利用三维仿真和数值模拟开发高性能、高效、长寿命的除尘器；进行冶金环境工程数字化三维仿真设计、三维仿真分析计算等。

（9）电气及自动化系统智能化设计：基于现代冶金过程能量流和信息流过程网络理论，建立钢铁制造过程三维供配电网络管理系统。在数学优化的基础上，对钢铁制造过程的供配电进行合理设计。电力发电设施，加强余热、余能、副产煤气高效发电，实现能源高效转换，降低电耗，实现钢厂电力能源自给自足。实现变电站、发电厂、配电站、供电管网等三维仿真设计；不断完善自动化模型开发和研究，以信息化、数字化推动技术进步；开展冶金工艺设备运行和过程控制模型开发；建立冶金电气与自动化工程数字化三维仿真设计和冶金生产过程二次模型控制仿真计算分析研究。

（10）建筑工程系统智能设计：以建筑工程三维仿真设计为重点，开展大型高炉、烧结球团、炼钢、轧钢等重大冶金工艺流程的三维土建结构设计。通过Midas等有限元设计软件二次开发，不断完善大型冶金设备基础、柱基础、土建结构、网架结构的三维仿真设计优化，实现建筑减量化、轻量化、绿色化，减少钢材消耗;在冶金构建项目和三维模拟分析和建筑结构计算的数字三维模拟设计上进行研究工作。

智能制造过程中智能制造与智能设计之间的关系

（1）设计是竞争的起点和工程的元工程。尽管任何产品的竞争最终都通过产品质量，性能，成本，服务等因素来表达，但追溯到其根源的竞争将深入到产品的设计水平。任何产品的质量和质量决定其竞争力。性能，成本和其他因素都通过产品设计反映了。设计是产品竞争力的起点。在未来的市场竞争中，设计是决定产品竞争力的根源。

（2）对于工程项目，项目设计的质量在很大程度上决定了项目的质量和成功。对于一个行业而言，该行业的整体重点是设计工作和整体设计水平，通常将成为反映和确定行业繁荣的关键指标和因素。

（3）从较大和长期的角度来看，设计工作的“整体状况”将不可避免地影响到该国的经济和社会发展，甚至人类文明的进步。人们必须以脚踏实地，谨慎和细致的态度理解并从事设计工作，更重要的是，他们必须以宏观和战略性的观点理解和从事设计工作。设计工作本身只是所有工程活动的一部分和链接，但这是一项整体意义的工作，不可避免地会影响整体情况。

（4）设计面临未来，设计带领未来，战略设计带领战略未来。为了实现钢铁制造过程中的节能制造，智能设计不仅是关键链接，而且还发挥了领导作用。设计确定了工程项目原始物理系统的进步。没有先进的智能设计，就很难拥有先进的智能制造。因此，我们必须非常重视智能设计在钢制造过程中的作用和意义。从某种意义上说，高级智能设计水平决定了智能制造的高级水平和未来。

综上所述

（1）智能制造是基于新一代信息与通信技术和先进制造技术的深入整合。它贯穿制造业活动的各个方面，例如设计，生产，管理和服务。它具有自我感知，自学，自我决策，自我执行和自我照顾。具有其他功能的新生产方法。为了实现制造业的数字，网络和智能开发，数字化是基础，网络是关键，智能是方向。制造业包括工艺制造和离散制造。钢制造工艺是一个典型的工艺制造业。钢铁制造工艺的智能制造是实现制造业智能制造的重要组成部分。智能设计是钢制造过程不可或缺的一部分。智能制造中的关键和重要链接。

（2）智能设计是指现代信息技术的应用，使用计算机模拟人类思维活动并提高计算机的智能水平，以便计算机可以在设计过程中执行更多更好的各种复杂任务，成为一项重要任务对于设计师。辅助工具。钢制造过程的智能设计包括三个方面：第一，基础科学（研究量表是分子和原子的大小），研究科学理性，使用CAE三维模拟设计分析和计算技术，模拟和研究冶金和研究滚动过程，温度场和流场等；第二个是技术科学（研究量表是过程或设备规模），研究技术的可行性，采用使用机械三维模拟设计技术来模拟和研究冶金设备的优化；第三是工程科学（研究量表是制造过程或研讨会规模），研究工程项目的整体，系统和协作优化，并使用数字三维仿真工厂设计技术，模拟和仿真研究来优化整个钢铁制造过程并实现设计，构建，操作和维护的整合。

（3）尽管任何产品的竞争最终都是通过产品质量，性能，成本，服务等因素来表达的，但追溯到其根源的竞争将深入到产品的设计水平。任何产品都决定其竞争力。质量，性能，成本和其他因素都通过产品设计反映了。设计是产品竞争力的起点。在未来的市场竞争中，设计是决定产品竞争力的根源。

（4）设计面临未来，设计带领未来，战略设计带领战略未来。为了实现钢铁制造过程中的节能制造，智能设计不仅是智能制造中的关键联系，而且还发挥了领导作用。没有先进的智能设计，就很难拥有先进的智能制造。因此，我们必须非常重视智能设计在钢制造过程中的作用和意义。从某种意义上说，高级智能设计水平决定了智能制造的高级水平和未来。

参考

轻微地。

引用这篇文章

Xie Jian-Xin，张富敏。铁和钢的智能制造和智能设计[J]。中国冶金，2019年，第29（2）：1-6。制造过程[J]。中国冶金学，2019，29（2）：1-6。

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