钢铁工业对中国至关重要,是很多产业的支柱,同时在整个人类发展的历程中扮演着不可或缺的角色。2018年我国的粗钢产量继续增长,同时世界粗钢产量已经达到了 18.09亿吨。我国作为世界产钢第一大国,占世界粗钢总产量的近50%,为9.28亿吨。然而,作为资源、能源消耗大户,我国钢铁工业受资源、能源约束日趋严峻,钢铁节能工作亟需进一步加强。所以,在社会发展与生态文明建设中,对钢铁工业节能减排提出了更新更高的要求。目前的研究中常以物质流研究或者能量流研究为主,忽略了物质流和能量流之间存在着的联系,且研究多集中在铁前工序。本研究针对铁后工序,炼钢—轧制生产流程进行研究。流程中主要设备采用物质守恒和能量守恒的原则进行建模,工序内将设备用物质流和能量流耦合的思想进行整合,再利用数据库将工序和工序之间进行衔接。模型采用基于Python高级编程语言的Pyomo数学规划包,建立MINLP模型,采用内点法的Ipopt求解器进行求解。首先,模型验证结果显示模型符合实际生产要求。通过模型对各工序进行优化,热轧工序能耗降低9.80%,考虑边界上游工序的影响时,虽然炼钢工序能耗提升2.58%,但是炼钢—轧制整体总能耗下降3.53%。在引入直轧工序后,炼钢—轧制工序整体工序能耗下降132.23%,实现了炼钢—轧制工序的整体负能制造。同时对直轧工序进行优化,使直轧工序能耗降低8.08%。其次在主要设备能源、物质迁移规律的研究中,转炉除铁水显热占55.43%,其余的44.57%由化学反应热提供,在输出热中钢渣占7.62%;加热炉空气显热和钢坯显热约占总热量的18.64%和19.09%。用b-P模型对主要设备单耗和负荷之间的关系进行分析,得到加热炉和感应加热炉的最优“经济点”。再次,选取主要设备的物料入炉温度、转炉的废钢比、加热炉混合煤气等7个参数进行分析,研究其对工序能耗的影响。在不考虑模型边界外上游工序的影响时,入炉铁水的温度在1340℃的时候工序能耗最低,入炉铁水温度为1400℃的时候工序能耗最高;废钢加入量需根据入炉温度进行调整,在不同温度下,废钢比升高工序能耗呈现上升趋势。加热炉在不使用其中一种煤气的时候对工序能耗影响可以忽略;钢坯入炉温度对工序能耗的影响较大,从25℃提升到到900℃工序能耗下降72.27%;提升余热回收率对于工序能耗提升呈线性关系。直轧工序的钢坯头尾温差增大50℃,工序能耗增加了0.35 kgce·t-1,入炉温度提升至70℃,工序能耗下降至1.86 kgce·t-1,同时头部、尾部加热时间分别减少至15 s和18 s。