《冶金标准化与质量

  冶金流程工程学是以冶金制造流程为研究对象的学科，是一系列过程群的集成，是一组相关的、异质异构工序/装置通过链接件（“界面”技术）进行耦合集成并实现有序运行的整体系统。冶金制造流程的物理本质是物质流在能量流的驱动和作用下，按照一定的运行程序，沿着设定的流程网络作动态—有序、协同—连续的持续运行。冶金流程工程学拓展了冶金学科的新层次，完善了冶金学的学科体系，并指导冶金工厂整体动态运行及工厂的动态精准设计和管控，引领冶金学发展的新方向——绿色化、智能化。

  钢铁工业是典型的流程制造业，这篇文章着重介绍冶金流程工程学在钢铁标准化工作中的应用，主要分析在绿色、低碳、智能发展新形势下，冶金流程工程学为钢铁工业通过标准引领实现高水平发展所起到的基础理论指导和支撑作用。本文发表在《冶金标准化与质量》2025年第1期。

  2021年，中央国务院印发的《国家标准化发展纲要》和国标委等印发的《“十四五”推动高水平发展的国家标准体系建设规划》指出，深化标准领域供给侧结构性改革，增加国家标准有效供给，逐步加强强制性国家标准、推荐性国家标准和国家标准样品的管理，着力构建推动高水平发展的国家标准体系，以标准促进科学技术创新成果转化，助推产业升级、绿色发展、城乡建设和社会建设，支撑国内大循环、国内国际双循环建设，充分的发挥标准化在推进国家治理体系和治理能力现代化建设中的基础性、引领性作用。

  当前，中国钢铁工业已进入高水平质量的发展阶段，并以绿色化和智能化为主攻方向，对钢铁标准化工作提出了更高的要求，有别于传统的产品和试验方法标准制修订，必须以新发展理念和新的基础理论指导和支撑新阶段的标准化工作。钢铁工业绿色低碳、人机一体化智能系统迫切地需要快速推进行业标准体系建设，尤其需要在绿色低碳的基础标准、共性关键技术标准、评价方法标准等方面达成共识、形成合力、夯实基础，增强标准化服务能力，通过标准引领为钢铁工业协调、有序、健康、可持续发展提供技术支撑。

  冶金流程工程学揭示的钢铁制造流程的物理本质、各工序核心问题和“界面”技术，有助于从基础理论层面深刻理解制造（生产）流程的整体性、本质性，并以钢铁制造流程的结构—功能—效率研究为核心，进而扩展到全社会大系统的绿色化、生态化、智能化研究，兼顾工程科学、工程技术、经济效益与生态效益；有助于钢铁工业由基础标准、共性关键技术、评价方法标准等推进行业各方征集需求，达成共识，提出解决方案，共同推进钢铁工业高水平质量的发展；有助于钢铁绿色低碳、智能制造标准体系建设，通过基础的、系统的、前瞻的、高质量的标准化工作，实现标准引领钢铁工业高质量发展。

  标准体系的构建遵循系统化、结构化和层次化的根本原则，同时基于生命周期方法程序进行深入分析，从顶层设计上规划和引导钢铁工业环境标准的制修订工作。以冶金流程工程学的基础理论看，钢铁工业绿色发展与节能减排、末端治理、清洁生产、循环经济、低碳经济、工业生态链和绿色制造有不一样程度的联系。钢铁工业的资源消耗，不只是自然界中的矿物资源和能源，还包括水资源和空气资源，要实现绿色发展、循环发展，就必须以“3R”为根本原则（即“减量化”、“再利用”、“资源化”，“减量化”优先），在一定条件下将物质、能量、时间、空间、资金等“五要素”有效的整合在一起。而循环经济在循环过程中是有循环能耗、循环过程（时间、空间）、循环成本、资金流动、增值内涵的。“五要素”的有效整合，将有利于降低循环能耗和循环成本，形成“资源—产品—废弃物—资源再生—经济/环境效益”的再生循环发展模式，是实现经济效益、社会效益和环境效益协同发展的经济模式（见图1）。

  在全球最严苛的钢铁环保标准倒逼下，中国钢铁工业正在推行世界钢铁史上顶级规模的超低排放改造工程，已经掌握了部分世界领先的节能减排技术，并形成初步的绿色评价标准体系。从钢铁工业不同阶段排放标准对比的情况去看（见图2），超低排放阶段烧结球团工序降幅最大，颗粒物排放标准降幅达到80%，SO2和NOx排放标准降幅达到83%，这在世界钢铁史上是绝无仅有的。要满足如此严苛的环保治理要求，必须实现源头治理，同时兼顾经济性，才能实现可持续的绿色循环发展。截至2024年底，已有169家钢铁企业在中国钢铁工业协会网站完成超低排放改造和评估监测公示，涉及粗钢产能超过5亿吨。

  从整体上看，目前中国钢铁工业绿色领域还没形成大批具有自主知识产权的标准，缺乏统一的绿色钢铁技术、产品、装备、工序、工厂、企业、园区、供应链等标准，某些特定的程度上制约了钢铁工业绿色化的健康有序和可持续发展。“十五五”期间，中国钢铁工业绿色标准体系将以冶金流程工程学为理论基础，围绕烟气治理、固体废弃物综合利用、节能降耗等重点领域加强绿色标准研制工作，规范钢铁工业节能减排及碳排放指标体系，加大钢铁工业先进标准的有效供应，提高标准的先进性和协同性，突出标准的引领作用，加快钢铁工业国际标准化的工作步伐，稳步提升钢铁工业标准化水平。

  在全球低碳发展的背景下，中国钢铁工业开启低碳发展新征程。当前，中国粗钢产量保持10亿吨量级，占全球粗钢产量的比重连续7年保持50%以上。同时，中国钢铁工业以高炉—转炉长流程为主，能源结构以煤炭等化石能源为主，其碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，成为落实碳减排的重要责任主体。新世纪以来，中国钢铁企业节能环保水平持续提升，2020年重点统计钢铁企业吨钢综合能耗较2000年下降约41%，“十四五”以来重点统计钢铁企业吨钢综合能耗持续保持在“十三五”末水平。钢铁工业的温室气体（CO2）排放主要是由能源消耗引起，吨钢能耗的下降表明中国钢铁企业吨钢碳排放也在同比下降，但粗钢产量基数较大，导致碳排放总量仍然处于较高水平。

  冶金流程工程学理论是摸清行业碳减排现状、研究行业碳排放核算标准、核定行业二氧化碳排放总量的基础理论，也是指导钢铁工业低碳技术探讨研究的物理依据。钢厂生产流程是由物质—能量—时间—空间—信息构成的动态系统。在钢厂内部，能量由一次能源（主要是外购煤炭）和二次能源（如焦炭、电能、氧气、各类煤气、余热、余能等）等形式构成。钢铁工业低碳发展需对钢厂一次能源和能源转换过程中产生的二次能源进行通盘研究，最重要的包含:以输入—输出模型研究钢厂能量流与物质流的关系以及能量流的行为；以功能—效率优化为目标，研究一次能源、二次能源使用顺序；以连续实时调控和近“零”排放为目标，以图论等方法，通过信息化调控为手段，研发钢厂“能源转换网络”（能量流网络），建设智慧能源管控中心；研究开发钢厂生产流程中有关铁素物质流运行过程中的节能减排技术；研究二次能源充分的利用条件下不同钢铁制造流程的极限能耗值；研究钢铁制造流程的结构、效率与吨钢CO2排放量的关系等。

  以冶金流程工程学理论为基础，对于不同来源的吨钢CO2排放数据，需考虑其计算方式、统计口径和范围、能源结构、废钢利用、原燃料质量及企业自身装备、工艺技术、管理上的水准等各因素的影响方可客观比较。用标准化手段实现碳排放管理和低碳冶金是推动落实钢铁行业碳减排目标、促进钢铁工业低碳发展和技术转型进步及对外贸易的有力支撑。全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183)已经开展了节能领域的有关标准化工作，组织研制并发布了一些能源消耗限额、节能诊断、部分成熟节能技术的国家标准和行业标准。

  低碳冶金方面，已发布一项YB/T 4890-2021《钢铁企业O2-CO2气体混合利用技术规范》和三项YB/T 4891.X-2021《钢铁企业二氧化碳利用技术规范》系列标准，分别用于转炉顶吹、转炉底吹和电弧炉炼钢，正在研制其他两项YB/T 4891.X-2021系列标准，分别用于高炉冶炼和钢水精炼。

  碳排放管理方面，中国钢铁工业协会建立低碳工作推进委员会，并设立低碳标准工作组，开展钢铁工业碳排放核算核查、低碳冶金技术规范、低碳评价、碳排放监测与管理、碳排放限额、碳交易与碳资产管理、碳捕集、封存与利用（CCUS）技术规范、碳汇等方面的标准化工作。通过系统梳理国内外已开展的温室气体管理有关标准项目，初步建立了钢铁工业低碳发展标准体系框架。

  另外，全国钢标准化技术委员会（SAC/TC 183）已报批通过碳排放管理标准化工作组（SAC/TC 183/WG11）和低碳冶金标准化工作组（SAC/TC 183/WG12），全国钢标准化技术委员会（SAC/TC 183）和全国氢能标准化技术委员会（SAC/TC 309）联合成立氢冶金标准化工作组（SAC/TC 183/JWG15），开展钢铁工业低碳领域和氢冶金相关标准制修订工作。

  效率和质量是钢铁行业未来重要的竞争点，以人机一体化智能系统赋能高水平发展，成为中国钢铁企业迈向高端的“催化剂”。随着《“十四五”智能制造发展规划》《“十四五”原材料工业发展规划》《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》等顶层规划和有关政策支持稳步落地，人机一体化智能系统在钢铁行业所引领的产业新浪潮已然到来。

  动态变化是钢铁制造流程运行的核心。钢铁人机一体化智能系统离不开钢铁制造流程物质流、能量流、信息流协同动态调控；更需要全流程在线检测-监测数字化、智能化，高性能钢铁产品实现全生命周期智能化设计、制备加工，以及钢铁制造定制化和服务一体化。冶金流程工程学的“界面”技术探讨研究显示，工序之间关系的协调—优化具备极其重大意义，也是建设信息物理融合系统（CPS）的基础理论。建设信息物理融合系统是钢厂智能化的核心，通过改进钢铁制造流程物理系统的自组织性，并促进其与信息系统的融合，是实现钢铁制造流程智能化的有效途径。

  钢铁工业是典型的流程工业，工序繁多，工艺过程复杂，设备相对集中，且工艺参数之间有非线性、多变量、强耦合等特征，如何构建钢铁制造流程信息物理融合系统？从物理系统一侧来看，可通过工程设计动态优化、工序/装置优化或改进、“界面”技术优化等措施，推动物质流网络、能量流网络的协同优化，进而为智能化钢厂打好“物理”基础，并使物理系统的架构有利于信息流的导入与贯通。从信息系统一侧来看，能够最终靠制造流程中关键信息要素的实时监测感知，构建工业网络站点平台，完善不一样的层次（PCS、MES、EMS、ERP等）、不同过程（原料厂系统、烧结系统、焦化系统、炼铁系统、炼钢系统、轧钢系统、钢材库系统）的信息流网络结构和模型，打通物理系统与生产管控系统之间的信息流，使物质流、能量流、信息流“三流”关联、协同起来。

  通过建设钢铁制造流程信息物理融合系统，在提升产品质量、稳定生产的全部过程、降低生产所带来的成本、提高生产效率、消除产品缺陷等方面发挥关键作用，实现钢铁人机一体化智能系统，促进行业转型升级和高水平质量的发展。综合看来，流程较短的全废钢电炉生产更容易率先实现智能化。

  2021年发布的《“十四五”人机一体化智能系统发展规划》，指出要继续推动钢铁工业人机一体化智能系统技术应用，打造人机一体化智能系统示范工厂，同时制定人机一体化智能系统标准，完善人机一体化智能系统体系。科学利用冶金流程工程学是指导钢铁人机一体化智能系统标准化工作的重要理论基础。

  截至2024年底，我国已累计发布470余项智能制造国家标准，50项国际标准，但适用于流程制造业的标准较少，亟需以冶金流程工程学为指导，针对钢铁生产流程连续、工艺体系复杂、产品中间态多样化等特点，制定钢铁行业智能制造标准。全国钢标准化技术委员会作为国家智能制造标准化总体组的成员单位，负责推进钢铁工业智能制造标准化的具体工作，自2020年5月开始，每年对《钢铁行业智能制造标准体系建设指南》进行修订，并以“共性先立、急用先行”为原则，按照“基础共性、关键技术、行业应用”三个方面，启动国家标准、行业标准、团体标准的申报与研制工作。

  截至2024年底，钢铁工业智能制造领域共有176项标准（1项国际标准，5项国家标准，22项行业标准，148项中钢协团体标准）下达计划，其中已发布74项，在研102项。下一步，钢铁智能制造标准化的重点工作是针对钢铁行业技术发展现状、未来趋势及应用需求，逐步建立较为完善的钢铁行业智能制造标准体系，打造具有行业影响力和认可度的高品质衡量准则，继续孵化培育能够代表中国智能制造能力的国际标准。

  在钢铁工业绿色化、低碳化、智能化发展的大背景下，钢铁标准化工作需转变观念，以冶金流程工程学为理论基础，坚持全局性、系统性思维建立新型钢铁标准化体系。

  环保标准化方面，充分的发挥冶金流程工程学物理本质理论优势，结合全生命周期方法，从顶层设计上规划和引导钢铁工业环境标准的制修订工作，以末端治理和源头治理相结合推进中国钢铁工业绿色化。

  低碳标准化方面，钢铁制造流程的碳排放主要来自于燃料消耗，其次来自于熔剂分解等，通过一系列分析碳素流特点及主要形式，建立科学、客观的低碳标准化体系，包括术语和定义、核算方法、评价总则、评价指标等，推动钢铁工业低碳化发展。

  智能标准化方面，以冶金流程工程学的物质流、能量流、信息流系统为基础，涵盖智能设计、智能生产、智能管理、智能物流等经营事物的规模，从生命周期、智能功能、系统层级三个维度建立一套可量化的指标体系，指导车间、工厂智能制造能力提升。

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