1 冶金工业流程的特性
1. 1 在国民经济中的重要地位
2005 年我国钢铁消费量和生产量均已超过3 亿吨，超过世界产钢第二位(日本)和第三位(美国)的总和，成为世界钢铁生产和消费的“超级”大国。图、是我国、美国和日本三国近30 年来钢产量的变化情况。专家预测，如果我国以160 公斤/人· 年的人均耗钢量完成工业化进程，年均钢产量应保持在2.4 亿吨左右。由此可见，在我国国民经济建设中，钢铁行业占有举足轻重的重要地位。钢铁材料是最重要的结构材料，也是使用量最大的功能材料。
1. 2 能源消耗的重点行业
从1988 年至2002 年的15年间，我国钢铁工业能耗一直占全国总能耗的10 % ～ 15 %。据最新数据统计，随着钢产量的不断提高，这一比例从2003 年起就已经超过16 %。表1 是全国重点钢铁企业工序能耗和吨钢综合能耗与国际先进水平指标的比较，并给出了主要生产工序能耗的比例。可以看出，我国重点钢铁企业平均吨钢综合能耗仍比国外先进企业高出100 kg 标准煤/吨钢以上，如果将中小型地方钢铁企业统计在内的话，这一差距将会更大。随着能源市场不断开放，钢铁企业的能耗己经占到生产成本的30 % ～ 45 %。在国民经济建设中，钢铁行业确实是能源消耗的重点行业，节能降耗已经成为提高我国钢铁行业国际竞争力的关键。
1. 3 冶金工业流程的特点
冶金工业是典型的流程工业，并且是典型的多尺度、长过程的复杂系统。图2 为钢铁工业流程主要工序示意图。钢铁生产过程，本质上就是输人资源(例如矿石)和能源(例如煤炭)，分别经过炼焦和烧结工序，在高炉内完成铁的冶炼过程，在转炉(或电炉)完成钢的冶炼过程，经连铸(或少量模铸)凝固成型，再经轧制生产出定型钢铁制品。按照工艺要求，输人的资源和能源的物质形态，化学组分和组织结构都发生了本质的变化，形成了贯穿整个工序的物质流(例如Fe 元素流)和能量流(例如C 元素流).在能量流的作用下，流程中物质流的温度发生有序变化，构成了一个化学冶金，凝固和冶金物理顺序组成的非常复杂的化学物理过程。从节约型、清洁型流程工业的要求来看，我们需要更加关注在整个流程中物质流的温度、能量流的品质和洁净程度的变化，这是流程工业节能降耗的关键要素。
2 钢铁工业流程界面
2. 1 界面问题的提出
降低钢铁工业资源和能源消耗通常从以下四个方面开展工作：一是调整产品或生产结构;二是采用先进的节能工艺和技术;三是高效利用和回收各个工序余能;四是采取有效的管理措施。随着冶金和能源技术的发展，钢铁工业节能降耗的研究一直比较重视单体设备和主要工序的综合节能、固液气介质热量的有效利用，以及工艺流程的物质流和能量流分析及节能评价。连铸坯热送热装、干法熄焦、高温空气燃烧等先进技术的应用，为钢铁行业能耗不断降低做出了卓越的贡献。
钢铁制造流程的连续化、自动化和信息化是未来钢铁联合企业发展的必然趋势。随着钢铁生产技术和规模的发展，生产工序间的衔接、匹配发生了本质变化，如何优化调控工序和工序区段，最大限度地将高炉、铁水预处理、转炉、炉外精炼、连铸、轧钢等工序合理地衔接和匹配，以实现钢铁制造流程的整体优化，给流程工程研究提出了新的课题。其中之一就是以钢铁制造流程主体工序(例如，炼铁、炼钢、连铸、连轧等)之间的衔接-匹配和协调一缓冲方法及其相应的装置(装备)为对象，主要解决工序间的各种不确定因素和各工序环节之间的柔性调节问题，保证物质流的顺利衔接和合理匹配的“工序界面技”。
钢铁流程的工序界面如图3 所示。工序间的优化匹配，不仅可以优化整体流程，提高生产效率，而且还可促进钢铁生产流程的能源7 肖耗大幅度降低。进一步研究流程界面物质流的运行基本规律，逐步解决在能量流耗散最小条件下流程的整体优化匹配等相关基础科学问题是我们必须面对的课题。
2. 2 流程工序界面技术的意义
长期以来，钢铁工业的节能降耗工作围绕主体工序和单体设备街于，而对于工序之间衔接界面则缺乏系统的研究。在连续化、自动化和信息化逐步发展的钢铁制造流程中，研究和开发流程工业界面技术对实现有效的工序衔接，降低工序界面的资源和能量消耗有重要的意义：
( l )节能降耗
通过工序衔接界面行为动力学和界面热力学的研究，可为工序界面节能降耗技术的开发和应用奠定基础，进一步降低钢铁企业的资源和能源消耗，提高企业的竞争能力。
( 2 )流程优化和界面技术演化
界面节能降耗技术的发展和在流程工序中的集成组合应用，会导致工序功能及其集合的演变，进而导致整个生产流程中各工序和装置功能集合的重新分配或分组，使钢铁流程工序之间的关系集合发生变化。工序和装置功能集合的解析、优化和工序(装置)之间关系集合的协调、优化，为钢铁生产流程各工序(装置)的重新有序化和高效比提供技术平台性的支持，在工序功能集合、工序关系集合的演进和优化的过程中引起钢铁流程中一系列界面的演变和优化、在不同生产区段中形成新的有效组合。这一系列“界面技术”的出现和有效组合可影响到钢铁生产流程的结构，包括工艺技术结构、装备结构、空间结构、产品结构等。
( 3 )流程工业工序界面理论体系
根据冶金流程工程学的理论体系和钢铁制造流程工序功能集、工序关系集和流程工序集的解析集成思想，开展钢铁制造流程工序界面衔接节能技术基础研究，可完善钢铁制造流程界面能质流动力学理论，归纳出具有代表性的工序类型、界面类型，探讨各类型“界面，的行为特点和规律，形成流程工业工序界面理论体系。
3 界面行为动力学问题和热力学问题
钢铁流程的工序界面具有有限时间特性、行为动力学特性、流程热力学特性和生态演化特性。相关的核心科学问题可归纳为能质流动力学理论，主要包括界面行为动力学和界面热力学两方面。
3. 1 界面行为动力学间题
一般而言，动力学是研究物质(或物体)状态随时间变化的机制和规律的学问。钢铁制造流程工序界面的运行动力学主要研究工序衔接界面的运行动力学规律，研究工序界面的“推力”、“拉力”和“缓冲力”及其平衡关系，结合协同和耗散理论，研究工序界面的序参量(包括时间、温度和物质流量)的演化规律及其藕合关系，研究流程中各工序功能集的优化和子系统协调、演变和发展规律，探讨工序界面模式演化的机理，确定不同工序界面技术的结构功能，并给出钢铁制造流程的工序界面相关概念的数理描述。界面行为动力学的关键问题可以归纳如下：
( l )生产流程的运行动力学特征
① 钢铁流程逐渐向连续化发展，从耗散理论的观点出发，流程优化的意义为：金属物流衰减最小，金属温度起伏最小，过程时间/过程库存量最小，产品质量与使用性能满足用户要求。
② 钢铁生产工序操作特点：间歇式(例如炼钢)、半间歇/准连续式(例如炼焦)和连续式(例如炼铁、连铸和连轧等)。
( 2 )工序和装置的运行动力分析
① 理想制造流程：金属流稳定匀速运行。
② 界面上的作用力：金属流的加速与减速。
( 3 )界面运行动力学及其协同效应
① 协同元素：金属流流量、金属流的温度、金属在界面的滞留时间。
② 协同目标：化学组分和物质结构(产品)，资源和能量利用(消耗)，洁净排放性态要求)。
③ 企业竞争力：围绕产品组织生产(时间)。
④ 可持续发展：资源与能源充分利用和环境友好。
3. 2 界面的热力学问题
在钢铁制造流程中，不同的工序衔接界面技术具有不同的能源消耗模式和水平，工序界面的节能降耗存在可行性和潜力的问题。由此提出流程热力学概念，类比化学热力学理论和方法，从宏观上研究钢铁制造流程的热力学状态，研究在钢铁制造流程中各种物料、能源、半成品、产品和排放物所具有的总能和热能的变化规律，特别是工序界面前后的总能和热能变化规律。通过流程热力学研究，利用系统评价的理论和方法，建立钢铁制造流程工序衔接界面节能潜力系统评价模型，研究不同类型界面技术的节能可行性和节能潜力，进而为节能界面技术的开发提供决策依据。
( l )主要因素
① 时间协同：流程平稳运行，按合同组织生产。
② 物质流及其组分控制：产品产量和质量。
③ 温度控制：满足工艺要求。
( 2 )关注因素
① 能量充分利用：降低成本(热力学问题)。
② 洁净排放：环境友好(循环经济)。
( 3 )界面的热物理与热力学机制
① 工序要求：有限时间.
② 工艺要求：温降(冷却)和温升(加热)。
③ 热物理机制：多组分、多形态、复杂结构、带有化学反应/相变的热质传输。
④ 热力学机制二化学能与物理能综合梯级利用。
4 研究现状和发展的思考
美国麻省理工学院福瑞斯特(Jay W . Forrester )教授于50 年代中期在吸收了信息论、控制论和系统论成果的基础上创造出的一种研究复杂时变系统的定量分析方法----系统动力学。系统动力学运用系统结构决定系统功能的原理，通过构造系统结构、功能因果关系反馈回路，再利用反馈、调节和控制原理对这些反映系统行为的反馈回路构建出整体数学模型，并借助计算机对此模型进行模拟试验分析，以期得到实际问题的定量解释。系统动力学模型结构设计较为简单，操作起来较为方便，因此对于高阶次、非线性、多重反馈且具有延迟作用的复杂时变系统的问题也能较好地加以运用。系统动力学自创立以来，已显现出强大的生命力，短短几十年来，人们运用该方法对许多复杂的时变系统进行了研究，取得了许多意想不到的良好效果。结合钢铁制造流程的复杂性和动态有序性的追求目标，系统动力学的相关理论和方法可引人钢制造流程运行规律和节能潜力及发展趋势研究中来。
近十几年来，北京钢铁研究总院和北京科技大学应用系统的方法和观点，在冶金流程工程学理论体系框架下，探索、研究了钢铁制造过程的解析一集成系统、多维物质流管制系统和钢厂生产流程运行动力学。完成了炼钢厂调度数学模型、电炉炼钢厂物质流研究、炼钢一连铸界面技术研究和宝钢炼铁一炼钢界面技术研究等，在理论和生产实践应用上取得了一定的成果，并先后在实验室、生产现场建立计算机辅助调度模拟系统，进一步提出了一整套生产现场在线运行的计算机自动调度措施。
在国外，格林果夫70 年代中期就提出了研究炉子节能要与前后设备联系起来考虑才能取得综合最佳效果的“炉子范函理论”。该理论扩展了单体设备节能的范围，虽仍未超出工序节能的范畴，但初步显示了从整体流程的角度考虑节能的思想。近年来，从系统的角度，有的学者研究了能源转换工厂的最优能源转换加工方案。有的学者对钢铁工业的能源消耗趋势进行了统计分析，并提出了能源消耗强度的概念和计算方法。
国内东北大学在钢铁企业系统节能领域提出了一系列的理论和方法，提出系统节能的研究对象不能只停留在单体设备和单一工序上，其研究对象主要是在较高层次上(冶金工业、冶金企业、生产车间或工序)的热能利用问题。从物流角度分析了在一定钢铁流程条件下，物流的走向和物流的结构与能耗的关系，提出了‘基准物流图”和“基准吨钢能耗’的概念，提出了物流对能耗影响的e - p 分析方法。
近年来，利用系统优化进行钢铁工业节能成为国内很多学者的研究热点，主要是运用运筹学等优化方法，建立起能源消耗与物耗、热工过程参数、原材料质量等参数间的数学模型，研究包括选矿、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等各生产工艺过程的优化节能，并对整个钢铁生产过程进行用能优化及规划。
目前，国内外在钢铁企业的系统节能领域进行了一定量的研究，提出了一些系统节能的理论和方法。对于冶金生产流程中工序间的衔接、匹配，以及流程界面技术也进行了一定的研究，取得了一定成果，但是从工序间界面优化的角度来进行流程节能的研究还很少。而且，目前研究的工序界面还局限于工序自身优化和炼铁一炼钢界面，所采用的方法也还处于探索阶段。虽然已经建立了初步的理论指导，但距离形成成熟的理论框架和研究方法体系还存在较大距离。对于通过工序间的优化衔接界面技术，实现流程整体节能，还仅仅是一个提法。
作者认为，实现钢铁制造流程工序界面的衔接节能，应该从两个层面上进行研究。首先是理论层面上的突破，其次是技术层面上的具体实现。冶金流程工程学从钢铁制造流程整体优化的角度，提出了研究流程的运行动力学特征，进而实现流程的连续、准连续运行，基本上实现了流程运行的时间最小化。但从工序衔接界面节能的角度看，必须进一步研究包括时间、温度和物质流量在内的工序区段序参量，建立钢铁制造流程工序衔接界面的能质流动力学(包括运行动力学和流程热力学)理论体系，这对实现衔接界面节能降耗是十分必要的.具体研究内容包括以下两个方面：
( 1 )钢铁制造流程工序衔接界面的能质流动力学理论研究
研究工序衔接界面的能质流动力学特点和规律，科学定义工序界面的“推力”、“拉力”和“缓冲力”等概念，结合协同学和耗散结构理论研究工序区段的序参量(包括时间、温度和物质流量)、流程中界面各工序功能集的优化子系统协调、演变和发展规律，探讨工序界面模式演化的机理，研究不同工序界面技术的结构功能。引入系统动力学理论和方法，建立工序衔接界面能质流动力学的物理、数学模型。
( 2 )工序衔接界面的热物理机制和衔接界面动态仿真
从宏观的角度研究钢铁制造流程的相关热力学问题，研究流程中界面技术的节能可行性和节能潜力，利用系统评价的理论和方法，确立界面技术节能潜力的影响因素集及其绝对相对权重，建立钢铁制造流程工序衔接界面节能潜力系统评价模型、分析不同界面技术的节能潜力及其对整个流程的影响，对不同的界面技术进行优选，进而为节能界面技术的开发提供决策依据。以界面能质流动力学的数理模型为基础，结合系统动力学方法，利用数学和计算机仿真技术开发流程的动态调度模型和算法，建立钢铁制造流程的计算机仿真系统，并选择典型生产流程模拟流程运行。
5 结论
长期以来，钢铁制造流程的节能降耗只看重单体工序或单体装置，而对工序之间衔接界面缺乏系统研究。本文针对工序界面技术提出了“钢铁制造流程能质流动力学理论”的科学问题，指出，发展和建立流程工业能质流动力学理论体系，解决流程工业的运行动力学和宏观热力学问题能推动流程工业能源和资源的高效利用。本文还进一步探讨了钢铁制造流程工序界面问题今后的研究战略方向：
① 从冶金流程工程学人手，分析各主流工序的运行动力学特点，从而划分.急结流程工业工序界面的特性;
② 遵循流程过程中物质流和能量流的概念，以物质流为主线，运用系统动力学的思路研究物质流在界面的运动行为和特点，内在的作用力及其关系;
③ 探讨界定能量流中物质流所载可用于工艺制造的能量和能量介质所载的不同能量的品质，探求界面上两种形态能量的变化、转换和耦合作用，进而给出其数学物理描述。
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