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特刊推荐 | 冶金流程工程学与智能制造专刊

期刊:International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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专刊序言

近年来,围绕智能制造的新概念和新技术层出不穷,世界各国在不同行业和不同层面进行了大量研究和探索,全球产业竞争格局正在发生重大调整。在此背景下,中国经济发展进入新常态,制造业面临资源、环境的约束不断强化,必然要坚持创新驱动和智能化转型,加快中国从制造大国向制造强国转变。


冶金工业的共性时代命题是绿色化与智能化,这一命题是整体性、系统性的命题,不仅需要技术和工程上的创新,也需要理论层面的突破。冶金流程工程学是冶金工程学科的一个新的分支,以耗散结构理论为基础,解决开放-动态系统中的复杂问题,从原子/分子层次、工序/装置层次和制造流程层次支撑冶金工程学科。针对的问题是冶金企业生产流程中的整体优化问题,包括制造流程静态结构框架优化和流程动态运行过程优化以及两者的有机结合,解决工序/装置之间关系集合的协同优化和生产流程中工序/装置集合的重构优化,涉及全局性、全流程的结构–功能–效率优化。即以冶金流程物理系统优化为基础,与信息工程、环境工程交叉,构建以冶金流程为代表的流程型制造业的信息物理融合系统。


以冶金流程工程学理论和方法体系为指导,国内冶金企业、大专院校和研究院所从不同角度和不同层面进行了研究,取得了较好的应用效果。本专刊收录了13篇关于冶金流程工程学和智能制造的特约综述和研究性文章,通过概括冶金流程工程学理论基础和方法,总结钢铁制造流程中物质流运行优化、能量流运行优化和信息流运行优化的研究和工程实践成果,为进一步促进钢铁制造流程绿色化、智能化发展提供了参考。


——徐安军,包燕平


冶金图.jpg


流程型制造流程内不同过程之间多尺度嵌套性的层次结构





文章推荐


1.冶金流程工程学的研究综述

标题:Review on the study of metallurgical process engineering

DOI:10.1007/s12613-020-2220-z


本文亮点:

1.   作者通过工程实践上升到理论思考,最终对钢厂技术进步的思想认识轨道发生了层次性跃迁。总结探索研究冶金流程工程学的特点就是:进行变层次、变轨道探索思考;聚焦新目标;扩展理论基础;扩大应用领域;探索、开拓新的冶金学科分支。

2.   总结了冶金流程工程学的基本观点,比如冶金流程动态运行的物理本质、“三流一态”、“三网协同”、耗散结构、动态运行三要素、本构特征、“界面”技术等等。

3.   总结了冶金流程工程学的创新点,包含理论创新、模型创新、概念创新、技术创新、研究思路和方法创新等等。


2.关于钢水质量窄窗口稳定控制的思考
标题:Consideration of green intelligent steel processes and narrow window stability control technology on steel quality
DOI:
10.1007/s12613-020-2246-2


本文亮点:

1.   系统分析了钢铁制造流程运行现状,并阐明了钢铁流程做智能化提升所关注的是在全流程视野下寻求流程整体的运行效果,而且需要一定的物理支撑条件,不能一蹴而就和急于求成;同时系统提出了我国钢铁制造流程智能化发展存在的诸多矛盾和制约性问题。

2.   阐述了钢铁流程炼钢区段各工序功能解析、合理定位以及优化途径,分析了钢水质量窄窗口控制现状及实施路径。并提出实施钢水质量窄窗口稳定控制的技术内涵:利用大数据分析及智能化等手段,在发散、多变化的流程输入端与不断聚焦、收窄的流程输出端之间,建立高效、协同、可靠的实施路径,实现炼钢区段运行规律可控、高效、环保、精准以及钢水质量稳定性等多目标的协同优化。

3.   构建集成分、温度、节奏、洁净度、消耗与排放等多因素协同控制的钢水质量窄窗口稳定控制技术,实现炼钢区段运行规律可控、高效、环保、精准以及钢水质量稳定性等多目标的协同优化,将是未来绿色化智能化钢铁流程的重点发展方向之一。


3.钢铁制造流程运行优化的研究进展

标题:Operation optimization of the steel manufacturing process: A brief review

DOI:10.1007/s12613-021-2273-7


本文亮点:

1.   基于“流程工程学”理论提炼了钢铁制造流程运行优化问题内涵。

2.   综述了流程仿真、生产计划与调度等核心运行优化技术的研究进展。

3.   展望了一体化计划、物质流能量流协同优化等运行优化技术的发展方向。


4.含锰钢液在真空有渣精炼过程中的锰蒸发和脱氮行为研究

标题:Mn evaporation and denitrification behaviors of molten Mn steel in the vacuum refining with slag process

DOI:10.1007/s12613-021-2311-5


本文亮点:

1.   渣层对锰钢液中锰蒸发有一定的抑制作用,随着初始Mn含量的增加抑制作用减弱,而脱氮过程基本不受渣层影响,真空条件是锰蒸发和脱氮反应的主要驱动力。

2.   真空有渣精炼时,锰蒸发反应为一阶动力学反应,而脱氮过程符合1.5阶混合动力学模型。



5.钢–渣–耐火材料–非金属夹杂物体系的多相反应和成分动态变化:实验室实验和数学模型预测

标题: Dynamic mass variation and multiphase interaction among steel, slag, lining refractory and nonmetallic inclusions: Laboratory experiments and mathematical prediction

DOI:10.1007/s12613-021-2304-4


本文亮点:

1.   定量研究了有渣和无渣条件下钢液成分和钢中夹杂物成分的演变。

2.   定量评估了精炼过程Mg、Al等元素的传输现象,以及精炼渣在Mg元素传输过程的作用。

3.   建立了较为完备的耦合动力学模型,准确预测了精炼过程钢、渣、夹杂物三相的成分变化以及三相间的物质传输。



6.利用深度学习方法预测低碳钢冲击功的研究

标题:Prediction of the Charpy V-notch impact energy of low carbon steel using a shallow neural network and deep learning

DOI:10.1007/s12613-020-2168-z


本文亮点:

1.   根据低碳钢的化学成分、工艺参数和力学性能等工业数据,分别采用浅层神经网络和深层神经网络的方法实现了低碳钢冲击功的预测。

2.   采用贝叶斯优化的方法实现了深层神经网络模型参数的优化,提高了计算效率,并获得了更好的预测性能。

3.   采用数据驱动技术对厚度规格为7.5 mm的低碳钢冲击功的影响因素进行了参数敏感性分析。


7.一种基于改进CBR模型的LF钢水温度预测方法

标题:Development of an improved CBR model for predicting steel temperature in ladle furnace refining

DOI:10.1007/s12613-020-2234-6


本文亮点:

1.   提出了将冶金机理与案例推理算法结合的思路,对案例中的非线性影响因素进行非线性处理之后再作为模型的输入,降低了模型输入的维度,且提高了模型的预测精度。

2.   对模型非线性影响因素的处理,考虑了渣层厚度、包衬侵蚀、包龄变化、空包时间以及在线烘烤时间等诸多因素。

3.   改进的案例推理模型在钢水温度预测精度及预测结果误差方面均有改善。


8.面向定制化需求的冷轧产品多目标质量控制方法

标题: Multi-objective quality control method for cold-rolled products oriented to customized requirements

DOI:10.1007/s12613-021-2292-4


本文亮点:

1.   根据冷轧产品定制化生产与多质量目标的管控需求,提出从工艺参数预测产品性能质量和从订单需求设计优化关键生产工艺参数的双向质量管控模型,有效提高生产效率、降低生产成本。

2.   结合冷轧产品的三个机械性能之间存在的相互关联耦合现象,提出了基于多目标输出支持向量回归(MSVR)的多质量目标预测模型,并根据最大互信息系数方法进行模型输入参数的属性选择,提高模型预测效果。

3.   基于粒子群优化算法构造给定质量目标的过程参数的设计与优化模型,利用多质量目标预测模型作为优化结果的验证方法,以确保优化的参数结果可以同时满足每个性能目标。


9.一种基于可用生产能力网络的钢铁生产计划模型算法

标题: Multiproduct and multistage integrated production planning model and algorithm based on an available production capacity network

DOI:10.1007/s12613-021-2310-6


本文亮点:

1.   为协调各生产阶段连续、有序的运行,本文针对钢铁行业多工序、变批量的生产约束,基于约束满足建模技术,提出构造带有品种相容能力虚拟占用的可用生产能力资源块(以下简称可用能块)。

2.   为解决实际生产中存在设备状态、不同批量间资源兼容等约束对多工序协同计划影响,本文提出批量计划内品种相容、批量计划与资源约束相容等约束,对于计划期内存在特殊加工顺序的可用能块,安排品种或规格相兼容的产品生产。

3.   结合企业生产方案的执行实际,采用订单综合优先级对计划期内的可用能块进行动态赋值,构建了联合多阶段、多计划期可用能块的网络模型,以实现集成多目标、耦合多变量的钢铁生产计划的协同运行。




10.炼钢–连铸区段多工序协同运行的量化评价

标题: Quantitative evaluation of multi-process collaborative operation in steelmaking-continuous casting sections

DOI:10.1007/s12613-020-2227-5


本文亮点:

1.   基于工序作业周期、连浇炉数和工序界面缓冲能力之间的量化关系,构建了层流运行水平评价模型,实现了特定生产计划下炼钢-连铸区段层流运行可行性的评价。

2.   系统考虑了系统产能、工序作业周期和炉-机对应关系三方面因素,构建了工序匹配水平评价模型,实现了特定生产计划下炼钢-连铸区段工序匹配水平的量化评价。

3.   综合考虑了调度方案评价指标和生产运行模式,构建了调度策略可行性评价模型,实现了调度模型可用性的准确评价,为现场最优调度模型的选择提供了可靠手段。



11.基于泛在信息的棒材库智能化物流系统

标题:Intelligent logistics system of steel bar warehouse based on ubiquitous information

DOI:10.1007/s12613-021-2325-z


本文亮点:

1.   智能起重机的集群快速自感知技术,实现应对库区障碍、干涉的实时运行状态监控,为精准自执行控制与实时路径规划奠定基础。

2.   起重机刚软混合结构的精确自执行技术表征横纵向运动时钢丝绳阻力与吊具摆动的角速度关系,防摇摆控制模块可使整个路径移动时间得到缩短,使起重机运行更加安全有效,设备成本降低20%左右。

3.   基于激光雷达的车辆识别技术,可快速有效识别车辆外形数据、装车及卸车坐标位置,能够提高仓库运转效率、工作稳定性及操作的安全可靠性,节约人工成本。

4.   基于多智能体强化学习的集群起重机动态调度方法可以提高棒材仓库的运行效率。

5.   智能物流系统的应用,实现了棒材仓库的无人化运行,平均每台行车可节省4人,无效倒垛运输减少50%以上,仓库作业效率提高40%以上。


12.基于能源枢纽的钢铁制造过程多能源协同优化
标题: Multi-energy synergistic optimization in steelmaking process based on energy hub concept
DOI:
10.1007/s12613-021-2281-7


本文亮点:

1.   提出一种基于能源枢纽概念的多层优化模型,模型能够针对综合能源系统多输入-多输出端口进行统一建模,实现多种能源介质的动态耦合优化调度,同时消除了传统能源枢纽模型中因分配因子带来的非线性影响。

2.   针对于生产过程中能源设备效率会随负荷发生动态变化的情况,采用曲线拟合的方法对设备的负荷和效率间的关系进行描述。

3.   采用线性加权的方法在案例钢铁企业的经济运行成本和二氧化碳排放之间进行了多目标的优化。


13.钢铁冶金过程的可视化与仿真
标题: Visualization and simulation of steel metallurgy processes
DOI:
10.1007/s12613-021-2283-5


本文亮点:

1.   提出工业过程的可视仿真平台架构。

2.   提出基于钢铁冶金工艺过程的可视仿真技术路线。

3.   探讨可视仿真智能技术在钢铁工业的应用实践。



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