随着我国钢铁企业节水减排水平的巨大提升,节水工作的空间越来越小,节水难度越来越高。需要用流程工程学的方法论,重新审视钢铁企业水系统的运行规律,方可推进钢铁企业的节水减排工作。目前对钢铁企业水系统的研究多是关注节水代水技术,或是数学优化方法和算法,较少涉及水系统的本质特征和运行规律。然而,摸清水系统的本质特征和运行规律,并针对不同用水系统的网络结构建立一套科学的水资源有效利用程度评价方法,对钢铁企业用水系统的分析和优化至关重要,具有较大的理论价值和实践意义。为此,本文开展了以下六方面的研究工作:（1）科学凝练水系统构成要素,深入分析水系统的本质特征,为水系统规律的研究奠定了基础。阐明了钢铁企业水系统的组成和运行方式,并根据冶金流程集成理论分析了水系统的网络化特征,凝练了水系统的“流”、“网络”和“运行规则”3要素,阐明了用水单元和用水网络两个层面的“运行规则”及其结构因子、浓度因子和温度因子。将用水单元集定义为“需求侧”,将用水网络定义为“供给侧”,剖析了需求侧和供给侧的主要问题,为进一步解析用水网络的结构和研究用水网络的运行规律奠定了基础。（2）定义了钢铁企业水系统的温度因子和浓度因子,构建了用水网络中典型用水单元的输入、输出与单元温度因子、浓度因子之间的关系模型,解析了用水、排水量的变化规律。基于水量、能量、杂质平衡,考虑实际系统的漏损、水质处理等因素,针对间接冷却用水单元,建立了输入输出与浓度因子和温度因子之间的数学关系模型;分析了浓度因子的最优操作区间,建立了水流输入输出与漏损率和杂质去除率的关系模型,得到了典型间接冷却用水单元的运行规律和最佳运行策略。针对直接接触用水单元,建立了串接用水条件下的水流输入输出与浓度因子和结构因子的数学关系模型,阐明了直接接触用水单元的运行规律。基于本研究定义的水系统温度因子,分析了温度因子与浓度因子对水流输入输出的共同影响。（3）根据钢铁企业用水过程中的水资源降质和耗散特性,提出了“有效水”的概念及其分析方法,为水系统的规律解析提供了有力手段。根据钢铁企业用水过程中的水资源降质和耗散特性,剖析了系统补水、排放的根本原因,构建了供给侧与需求侧之间的关联关系。从水质与水量综合评价的角度,提出了“有效水”的概念及其分析方法,用于评价补水的有效性;提出了“有效水效率”的指标,解决了用水网络结构优劣的评价难题。（4）将复杂用水网络解构为4种基本网络结构,使用“有效水”分析方法分析了基本网络结构优劣。对复杂用水网络进行解构,建立了基本网络结构“有效水”分析模型,构建了 4种基本网络结构模型。应用“有效水”分析方法对基本网络结构的性能进行了评价,提出了 4种基本网络结构由“劣”向“优”的演进路线和方法。通过案例分析,比较了 4种网络结构的“有效水效率”,并据此评价了 4种网络结构性能的优劣。（5）根据理论成果,对典型钢铁企业各类用水单元的用水情况进行解析,得到了用水单元补水有效性差的原因和解决方案。应用本研究的用水单元和网络解析工作成果,针对某典型钢铁联合企业的用水现状,开发了集数据采集显示、整理分析、辅助决策功能一体化的水系统信息平台。根据平台反馈的数据,应用本研究提出的理论方法,对11类间接冷却用水单元、6类直接接触用水单元的用水情况进行了分析。得到了提高用水单元浓度因子,改善补水有效性的方案。（6）结合钢铁企业的流程特点和有效水理论,应用非线性规划方法对整个企业水网络进行了动态优化。分析了动态最优水网络性能的变化规律,得到了水网络的最优浓度因子、结构因子。针对典型企业的特点,建立了水网络的超结构模型,按照物质流的流程区段优化了水网络的串接原则。针对各用水单元的用水需求以新水消耗最小和有效水效率最大作为目标函数,采用非线性规划方法对企业水网络的结构和浓度因子进行了优化。基于实测新水和再生水水质的优化结果显示水网络新水量从7487 m3/h减少到6377 m3/h,减少了14.83%。有效水效率从原网络的73.32%提高到93.03%,提高了 19.71%。外排废水由原网络755 m3/h减少到25 m3/h,接近零排放。基于新水和再生水水质动态变化的优化结果显示最优水网络的新水消耗仅为6094 m3/h,有效水效率提高至96.3%。