随着新一代信息通信技术、新材料、新工艺等不断取得突破，并与前沿钢铁制造技术不断相互融合，为钢铁行业的产业升级提供了重要发展契机。但智能化解决方案主要集中在单工序或界面的自动化、工艺操作的动态调控，以及 3D（危险系数高、高温恶劣环境、重复性强）岗位的机器换人等，缺乏钢铁制造全流程层次的智能化。在钢铁制造流程中，碳素能量流驱动和作用于铁素物质流，使其按照设定的运行程序沿着工程设计固定下来的流程网络做动态有序、协同连续运行，运行的过程是在特定的耗散结构中事件或过程持续展开的耗散过程。

钢铁制造流程中的工序自动化旨在提升炼铁、炼钢、轧钢等工序层次的自复制水平。而钢铁制造流程的智能化,是通过优化各个自复制单元和它们之间界面的整体性、联网结构和动态运行过程，实现钢铁制造流程跨工序联网的自适应、自创生和自生长。

随着中国钢铁行业已转向高质量发展阶段,唐钢新区站在新一轮科技革命和产业变革的交叠区，为了推动钢铁行业技术变革和优化升级，以冶金流程学为理论指导开展了唐钢新区钢铁制造流程信息物理系统建设。通过物质流、能量流和信息流的 3 流关联协同，以及物质流网络、能量流网络和信息流网络 3 网融合的智能化实施路径，唐钢新区对现代钢铁制造流程进行了革命性的创新和发展，实现了耗散结构、耗散过程优化，为钢铁行业流程制造智能化提供了样板。

1 基于冶金流程学的钢铁制造流程理论分析

钢铁制造流程是冶金工业的根本，是在设定的时空范围内，通过合理的界面技术（线弧）群和设定的信息系统动态地集成相互关联而又异质异构的自复制工序/装置（节点）而构建起来的结构化整体系统。因此不能将钢铁制造流程理解为炼铁、炼钢、轧钢等工序简单相加而形成的生产流程静态表象，钢铁制造流程的概念与要素如图 1 所示。

图1 钢铁制造流程的概念与要素示意

认识钢铁制造流程物理系统的耗散结构和耗散过程，是新一代流程钢厂本质智能化发展的重要科学命题之一。但由于冶金研究理论长期受限于传统热力学，以孤立系统和封闭系统的概念来解决某一装置和某些场域方面的问题，所以缺乏流程整体系统尺度上的理论研究。在钢铁制造流程中的宏观层次，应突破孤立系统概念的限制，以动态、整体、开放、结构、网络、程序、耗散等新概念来研究钢铁制造全流程的整体动态优化问题。

冶金流程学的研究表明钢铁制造流程的物理本质是动态运行的事物按一定“程序”在一个复杂网络结构(流程系统框架，如钢厂总平面布置图等)中的流动运行现象，是复杂性和时间在流程系统中演化的不可逆过程，同时也是远离平衡、不可逆、动态运行的开放系统。为了维持稳定有序状态，需要同外界环境不断地交换物质、能量和信息，这种开放动态过程最终导致流、流程网络以及运行程序的存在，所以钢铁制造流程是耗散过程的承载体-耗散结构，耗散过程是开放系统中动态运行的事物(“流”)在历经耗散结构的过程中发生耗散现象的过程。显而易见，在相同的始态与终态条件下，同一类事物在流经不同的耗散结构的过程中所发生的耗散现象及其耗散值是不同的，耗散结构决定着耗散过程的优劣。

在开放的钢铁制造流程系统中，耗散过程的描述可以用熵来表示。钢铁制造流程耗散过程如图 2 所示。

图 2 钢铁制造流程耗散过程

式中：Sd 为制造流程动态运行过程的熵变；Sdi 为熵产生，为系统内的过程的不可逆性的量度， Sdi 为正向增加的，只能是熵增，不可能成为负值，但在不同条件下熵增值可以有大有小；Sde为熵流，为系统和环境进行能量、物质、信息交换(输入/输出)所引起的熵变化，熵流 Sde一般为负熵流入。

式中：Sd’为制造流程输出熵流，相对于绝对零度的状态仍将为负值。

为了优化钢铁制造流程的内部耗散，减少熵产生率是关键，同时必须源源不断地输入负熵流，这是制造流程耗散结构稳定存在的前提，输入的负熵流包括了他组织信息流，在一定条件下，这是最为积极、最为活跃的因素之一。为了优化钢铁制造流程运行的耗散过程，流程系统应该是动态有序、协同连续地运行。新一代流程钢厂是以钢铁制造流程动态运行的物理本质而构建起来的新系统，其智能化的核心区别于供应链、服务链信息化的外延智能化，是代表工厂本身整体关联的本质智能化，即钢铁制造流程智能化。

钢铁制造流程智能化不同于个别工序/装置的自动化，不仅要重视信息系统的研发，更要重视物理系统的结构优化，也就是要建立一个钢铁制造流程信息物理系统，这需要从钢铁制造流程物理系统一侧和信息系统一侧共同推进，相向而行，相互融合，并通过 3 流关联协同和 3 网融合的路径，为自主化运行与动态优化的钢铁制造流程智能化打好物质流和能量流的静态结构框架和动态运行的路径、轨迹、时-空边界，以及信息流供给、流动和应用的数字化网络化基础，实现钢铁制造流程这个耗散结构在动态运行过程中的耗散过程不断“合理化”。

2 钢铁制造流程的内在特征

唐钢新区钢铁制造流程信息物理系统以动态有序、协同连续运行为目标导向，构建了一个钢铁制造流程动态运行的耗散结构，这个耗散结构不仅有利于流程运行过程的耗散过程优化，也有利于信息流的导入与集成，耗散结构和耗散过程优化的基础是物理系统的自组织性和信息系统的他组织力。因为钢铁制造流程物理系统的自组织性源自生产流程中相关工序/装置的时间序、功能序和空间序的集成组合和合理配置，所以唐钢新区在面对单元性和多因子性“涨落”、单元之间的非线性相互作用和动态耦合，以及物理系统的整体与单元部分之间非线性相互作用时，为了使物理系统出现涌现效应而获得自组织性，从规划设计开始就将冶金流程学的动态精准设计与建筑信息模型技术相结合，从流程工程的层次去识别和解决问题，首创融合协同的工程管理方法，从“流”的概念出发将传统钢厂建设过程进行模块化集成，建立标准化设计、工厂化预制、模块化施工、信息化管理的协同机制。由线上搭建转变为线下模块、线上集成，顺序作业转变为平行作业，建立起解析-优化的工序功能集合和协同-优化的工序之间关系集合，既保障了工程安全、质量、成本和进度的有效管控，也实现了物理空间布局紧凑和“流”的连续有序。同时唐钢新区以减小熵产生率为指导原则构建耗散结构,使物质流的运动方式为没有交叉和干扰的“层流式”运行，并且为使能量流顺畅，减少管线数量和气体损失，在管线布置时采用“干网式”，既经由一条主干管网输送，由干网就近通过支线接入用户。

唐钢新区通过物理系统的解析集成，对设备运行和工艺路径等制定关键刚性制约规则进行固化，促进钢铁制造流程在动态运行过程中产生简捷化、规则化和稳定化的自组织信息，进而也有利于他组织信息的导入、贯通、高效和稳定，为钢铁制造流程智能化奠定了坚实的物理基础。唐钢新区工艺路径的“层流式”运行如图 3 所示。

（a）LF 单精炼工艺路径；（b）RH 单精炼工艺路径；（c）LF+RH 单精炼工艺路径；（d）铁水三脱工艺路径

图 3 唐钢新区工艺路径的“层流式”运行

信息流强烈地影响着流程动态运行的结构、功能和效率，在唐钢新区钢铁制造流程物质流与能量流具有自组织性的基础上，通过对象数字化使物理系统工序/装置实体单元的数据及时、有效地映射到信息系统同时对各工序/装置参数及运行规则、各界面运行及协同规则、流程层面运行规则、设备布局和工艺路径规则等进行规则数字化，转化为信息系统中的知识库对分析决策进行约束，以适应唐钢新区钢铁制造流程的本构特征和运行规律，最后通过信息系统中的软件应用产生相应的他组织力来帮助、支持、调控物理系统。而向物理系统输入与物质流、能量流有关的调控信息流，就是向系统输入“负熵”，可以维持物理系统的有序状态。

唐钢新区信息系统通过对物质流和能量流动态运行过程中信息特征参数的获得、处理，构成信息指令，驱使、强迫“流”在运行过程中，各工序/装置的物质、能量、时间、空间等方面参数在合理和适度的“涨落”，以及非线性相互作用和动态耦合，提高钢铁制造流程的智能化运行，优化制造流程的耗散结构和耗散过程。唐钢新区信息物理系统内物质流和能量流在耗散结构运行过程中产生的自组织信息，通过分布在物理系统各个工序/装置的传感器、物联网等技术进入信息系统。同时，信息系统接受自组织信息后进行认知，形成决策和调控指令，产生外驱的他组织信息，然后通过现场的执行器和控制器等机械实体单元将信息系统产生的调控指令转换成可以执行的操作，进而在物理系统实现。唐钢新区信息物理系统示意图如图 4 所示。

图 4 唐钢新区信息物理系统示意

为了实现物理系统内物质流和能量流的行为和过程的自组织信息通过状态感知向信息系统进行映射，唐钢新区在充分理解物理系统全流程物质流和能量流自组织性的基础上，对工序/装置级呈点状分布的事件、过程参数、生产结果等自组织信息进行跨工序/装置的汇集以及时间和空间的精准匹配，消除工序/装置间的信息孤岛，构建起与物质流和能量流同步、有序的全流程畅通的自组织信息流，不失真地表征全流程各工序/装置及界面间物质流和能量流动态“涨落”演变的全貌。而后自组织信息流通过信息系统中软件应用的实时分析和科学决策产生他组织信息，再经信息流承载、流动下达给物理系统的现场执行机构，精准执行作用于物理系统的实时动态调控指令。其中信息流在物理系统和信息系统中，通过状态感知-实时分析-科学决策-精准执行 4 个环节不断地循环流转，迭代优化，完成自组织信息和他组织信息的交互，实现物质流、能量流和信息流的 3 流关联协同。

3 钢铁制造流程的外在体现

现代冶金工程设计时将物质和能源看作贯穿全流程的重要因素，唐钢新区钢铁制造流程考虑到物质流、能量流和信息流相互之间的动态耦合性和协同性，依据冶金流程学将流程网络简化为由“节点”(工序/装置)和“线弧”(链接件)构成的图，是“节点”和“线弧”以及它们之间关系的总和。通过对唐钢新区钢铁制造流程物质流的研究，可将钢铁生产流程分解为两段，上游段为始于铁前的原料工序终于炼钢的连铸工序，主要是涉及化学冶金过程（还原反应、氧化反应）与凝固结晶过程；下游段为从连铸出钢坯开始到热轧过程结束，其核心为物理控制过程，其中的工序/装置都是有输入/输出功能的节点。唐钢新区静态生产流程中的节点包括综合料场（含铁原料采用封闭式 C 形料场、煤和焦炭采用圆形封闭式料场、石灰石和白云石采用筒仓、混合料采用封闭式混匀料场）、焦炉、烧结机、球团焙烧机、高炉、转炉、二次精炼、连铸、热轧、冷轧、长材。唐钢新区采用的先进大型工序/装置如图 5 所示。

图5  唐钢新区采用的工序/装置

唐钢新区为合理安排生产流程节点与节点之间的链接关系和层次协同关系，实现在动态运行过程中自复制(工序/装置)单元(节点)之间的时空性、结构性和功能性联网，在节点与节点间构建了一系列链接件。

链接件以衔接-匹配、协调-缓存的界面技术出现，其作用是构建钢铁制造流程内各工序/装置级物理实体协同运行的耗散结构，使唐钢新区生产流程涌现出卓越的功能和效率，优化耗散结构中“流”的耗散过程，实现低成本高效率的钢铁制造功能。唐钢新区不同工序/装置间采用的部分界面技术如图 6 所示。

（a）封闭皮带通廊；（b）一罐到底；（c）无人天车；（d）辊道传送；（e）氢能重卡；（f）动力管网

图 6 唐钢新区采用的部分界面技术

钢铁制造流程中能源主要有焦炭、余热和各类煤气，以及对外采购的煤炭等，所以唐钢新区物质流网络中的原料场、焦炉、高炉和转炉等工序分别形成了能量流网络的始端“节点”，而在钢铁制造过程中，焦炉、高炉和转炉产生的余压余热，以及各类煤气等从这些始端“节点”输出的能源介质沿着动力管网等链接件，到达能源转换的终端“节点”，用于烧结球团、加热炉、热风炉，以及发电机组等，实现物理系统中物质流网络和能量流网络的相互嵌套。而且在能量流的输送和转换过程中，唐钢新区建设了必要的、有效的中间缓存器，如管道以及 1 座 50000m3稀油密封圆形焦炉煤气柜、1 座 300000m3稀油密封圆形高炉煤气柜、2 座 150000m3橡胶膜密封转炉煤气柜等，以满足能源在始端“节点”与终端“节点”之间在时间、空间和能阶等方面的缓冲协调，这构成了唐钢新区能量流网络。为了实现冶金流程学能量流网络中能源的高效转换和及时回收利用功能，唐钢新区在钢铁制造流程的设计建设过程中集成了烧结余热发电、高炉炉顶煤气余压发电、转炉烟气余热回收发电、富裕煤气发电等一系列能效提升关键技术，均取得了良好的节能和减污降碳效果。

唐钢新区为了实现物理系统耗散最小化，在物理系统内物质流和能量流的动态运行过程中，建立起了包括基础自动化、过程控制、生产执行等不同规模和复杂度的运行程序（软件应用）他组织信息系统，由于运行程序所涉及的层次、尺度和类型不同，所以软件对算力资源需求和数据存储能力的硬件需求也不同，因此不同的软件需要适配不同层级的算力与存储。唐钢新区信息系统中的算力和存储硬件由集中化的敏态计算和长周期存储能力的云端，具备相对稳态实时计算和短周期存储能力的区域化边缘端，以及设备本身的嵌入式算力和原始数据缓冲的终端构成的基于云边端架构的工业互联网平台构成，其中云端负责处理全局数据、存储和大规模分析，以及跨工序资源调度；而部署在原料、炼铁、炼钢、轧钢等工序现场的边缘服务器，需要对实时数据进行预处理，避免海量数据直接上传云端，同时要保障关键工艺的毫秒级响应；生产现场的智能仪器仪表、工业视频、机器人、无人化装备等终端对物理系统进行状态感知和精准执行，唐钢新区通过构建分级算力部署与多层次数据存储深度融合的云边端硬件架构，不仅解决了不同业务场景对算力和存储的需求差异，同时也实现了钢铁制造流程的云端集中管控、边缘实时响应、终端的状态感知和精准控制。唐钢新区建设的基于云边端架构的工业互联网平台图 7 所示。

图 7 唐钢新区基于云边端架构的工业互联网平台

唐钢新区依靠云端强大的算力和存储支持，部署的软件为排程、制造执行、能源系统等，对应的物理实体为厂区级工厂和产线级的流程，主要功能是根据生产订单和资源约束，以及采集的生产、能源实绩，对分散运行的生产和能源等设备进行集中监控和判断，生成计划优化和调度指令；为保障各个设备的精准控制和高实时性的需求，在边缘服务器上部署的软件为过程控制系统等，对应的物理实体为工序级的高炉、转炉和轧线，以及发电机组等。主要功能是根据生产计划和维持电网稳定等要求，进行过程预报、工况判断，对设备进行工艺过程优化设定和精准调控。而基础自动化为了实时采集各设备现场实绩和精准执行控制动作，通常部署在现场的生产和能源设备终端。唐钢新区钢铁制造流程的软件由智能制造一体化系统功能架构（图 8）提供支撑。在钢铁制造流程的信息系统中，这种“软件”与相应的“硬件”结合在一起构成了信息流网络。唐钢新区通过分布在各个设备的智能仪器仪表、工业视频、机器人、无人化装备等传感器和执行器作为物理系统与信息系统的链接件，最终实现物质流网络、能量流网络和信息流网络的相互融合。

图 8 唐钢新区智能制造一体化系统功能架构

4 钢铁制造流程智能化在唐钢新区的应用实践

唐钢新区于 2021 年 4 月全面建成投产，是完全按照冶金流程学理论和“绿色化、智能化、品牌化”目标规划建设的新一代流程钢厂，项目年产铁水 978 万 t、钢水 1152 万 t、轧钢一次材 1102 万 t。主要产品是高端及高品质的热轧卷、酸洗冷轧深加工、优特钢长材等产品，面向汽车、工程机械、交通、制造等行业用钢，着力提升高品质、高技术含量产品的比例。唐钢新区产线工艺布局合理，设备先进，自动化、信息化、数字化和网络化水平一流，并建立了基于网络威胁态势感知的全局纵深网络安全主动防御系统，夯实了公司基础数据和信息安全根基。为了更好地发挥唐钢新区先进流程和配置应有的效果，提升钢铁制造流程智能化水平，在全流程生产数据采集贯通的基础上，唐钢新区按照信息物理系统深度融合的技术路线（图 9）进行钢铁制造流程智能化的实践。

图 9 唐钢新区信息物理系统深度融合的技术路线

通过物理侧和信息侧相向而行，相互融合，构建了钢铁制造流程物理系统和信息系统协同优化的深度融合系统。一方面从钢铁制造流程物理本质特征出发，以炼铁-炼钢-连铸-热轧全流程为对象，在流程、区段、工序、设备多个层次，系统解析其复杂性、强关联性、非线性、多约束等特征，以提升全流程连续化程度、提高全过程质量控制稳定性、最大化物料综合利用率、最小化能源耗散为目标，进行物理侧的优化。另一方面，集成全流程层流运行机制、界面技术优化及工艺规则库、全流程动态仿真技术及协同评估优化排程算法，首创了五维动态甘特图，开发了全流程一体化作业排程、全流程物质流温度预测及基于规则引擎的一体化作业计划动态调整技术，解决了钢铁流程工序间信息协同的问题，实现全流程一图贯通、全厂生产状态一图描述、全流程智能化调控，真正实现了钢铁制造流程智能化，达到了提升生产效率、优化资源配置、降低生产成本、提升产品质量和减污降碳的总体目标。并在理论创新、技术创新上均取得了历史性突破。

唐钢新区是目前国内外绿色化智能化新一代流程钢厂的典型代表，投产四年来，各项技术经济指标国际领先，其中人均产钢 1500t；吨钢综合能耗 539 kg/t，自发电比例达到 90%以上；颗粒物、SO2、NOx的排放比国家超低排放标准还低 10%；吨钢碳排放比原唐钢老区减少 21%，达到 1.72t；固废资源化利用率达到 100%。唐钢新区主要绩效指标见表 1。

表1 唐钢新区绩效指标

唐钢新区钢铁流程智能化的实施，从理论上创新发展了冶金流程学思想，并且在物质流与信息流耦合运行、多界面协同优化技术和方法、多层次钢铁制造过程运行规则等方面，取得了理论突破。唐钢新区的流程智能化不仅仅是在信息侧的局部优化，而是基于信息物理系统深度融合的全流程联动的智能化。在技术创新上，创新构建了从高炉炼铁到热轧全过程的铁素流层流运行机制；开发了从高炉炼铁到热轧所涉及的关键界面及亚界面技术群和多层次一体化协同运行规则库；首次构建了从高炉炼铁到热轧全过程多层级网络化智能体动态仿真模型和一体化流程网络仿真平台；首创了融合物质、能量、时间、空间、信息等要素的从高炉到热轧全过程动态甘特图。唐钢新区钢铁制造流程智能化的实施，使唐钢新区在生产效率、资源配置、成本降低、质量提升及绿色低碳等方面都取得了很好的经济和社会效益。近三年累计增收节支12.33 亿元，新增产值 13.27 亿元，企业率先通过国家 A 类企业验收。

5 结论

1）冶金流程学表明钢铁制造流程是远离平衡的开放系统，以及典型的耗散结构。在动态运行过程中的有序性、协同性和连续性将影响到钢铁制造流程的耗散，应以“流”、“流程网络”和“运行程序”的概念来理解、构建和调控钢铁制造流程，并通过减少熵产生率和不断地输入负熵流，优化钢铁制造流程的耗散结构。

2）新一代流程钢厂智能化的核心就是钢铁制造流程本质智能化，唐钢新区通过 3 流协同和 3 网融合的实施路径，打好了物质流和能量流的静态结构框架和动态运行的路径、轨迹、时-空边界，以及信息流供给、流动和应用的数字化网络化基础，为开展钢铁制造流程智能化奠定了根基。

3）为实现提升生产效率、优化资源配置、降低生产成本、提升产品质量和减污降碳的总体目标，唐钢新区通过钢铁制造流程智能化的实践，通过物理侧和信息侧相向而行，相互融合，构建了物理系统和信息系统相互融合的信息物理系统，以实现自主化运行与动态优化的钢铁制造流程智能化，取得显著效益。

4）在设计和建设新一代流程钢厂的钢铁制造流程时，应以冶金流程学为理论指导，站在流程的宏观层次上对前沿新工艺、智能化大型装备和新一代信息通信技术等进行选择-整合-集成-建构-运行，实现钢铁制造流程动态有序，协同连续运行。

作者：王新东 巩鹏辉