高炉炼铁技术创新实践及未来展望
肖鹏
(中冶赛迪集团有限公司， 重庆 401122)
摘要：炼铁工业已迈入绿色化、智能化发展之路。中冶赛迪根据多年冶金技术研发与工程实践，在高效、长寿高炉领域取得了一系列成果，开发了多项低耗低碳冶炼技术，助力炼铁工业的绿色化发展。同时，将智能化作为引领炼铁技术从传统工业向高质量发展的重要引擎，基于冶金工程流程学理论，创建了全球首个铁区一体化智能管控平台，未来将进一步运用大数据、人工智能、数字孪生和数学模型，打造新一代智慧高炉，并大力开发氢冶金等低碳炼铁新工艺技术，朝着绿色炼铁的新目标前进。
关键词：高炉炼铁；智能化；大数据；智能制造；绿色制造；氢冶金；技术创新
文献标志码：A 文章编号：0449-749X（2021）06-0010-05
Innovation practice and future prospects of blast furnace ironmaking technology
XIAO Peng
(CISDI Group Co.，Ltd.， Chongqing 401122， China)
Abstract：The steel industry has entered the road of green and intelligent development. Based on years of metallurgical technology and engineering practice，CISDI has achieved a series of achievement in the field of high-efficiency and long-life blast furnaces，and has developed a number of low-consumption and low-carbon smelting technologies to help the green development of the ironmaking industry. At the same time，CISDI regards intelligence as an important commanding height for future ironmaking technology development. Based on the metallurgical engineering process theory，CISDI builds the world′s first integrated intelligent management and control platform for ironmaking areas. In the future，CISDI will further use big data，artificial intelligence，digital twin and mathematical model to build a new generation of intelligent blast furnace，and vigorously develop hydrogen metallurgy and other low-carbon iron making technologies，and move towards the new goal of green ironmaking.
Key words：blast furnace ironmaking；intellectualization；big data；smart manufacturing；green manufacturing；hydrogen metallurgy；technological innovation
2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上强调，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。钢铁工业CO2排放量占工业总排放量16%左右，占全国的10%左右。而铁前各工序CO2排放总量占钢铁工业总排放量的比例接近90%。因此，钢铁工业尤其是铁前工序，其在绿色化和智能化方向上的发展迫在眉睫。
中冶赛迪作为中国钢铁工程技术的领军企业、中冶集团打造冶金建设国家队的领跑者，和钢铁企业一起，不断投入技术创新，在高炉炼铁技术创新领域进行了一系列探索和实践。
1 高效、低耗、长寿高炉的理论与实践创新
1.1 建立高炉高效低耗生产的新评价体系
高炉炉腹煤气量、炉腹煤气量指数和透气阻力系数是衡量高炉强化冶炼的重要参数。中冶赛迪采用炉缸炉腹煤气量指数、炉腹煤气效率、面积利用系数的新指标体系指导高炉设计和生产，为实现科学生产和管理创造了条件。
如图1所示，围绕如何降低高炉的燃料消耗，中冶赛迪持续开展不同级别的高炉研究，打通设计、生产与操作技术链条，以炉腹煤气量指数理论指导低耗生产，采用大数据寻优炉腹煤气量指数、炉腹煤气效率、透气阻力系数的最佳控制区间，指导高炉设计与操作，实现最低能耗和最低碳排放的高炉冶炼，在一批高炉上实现同等条件下燃料比降低10~20 kg/t的实绩。
1.2 基于数字仿真的高炉合理炉型设计技术体系和方法
合理炉型是高炉高效、低耗的“先天基因”，中冶赛迪通过全炉仿真与冶炼机理相结合，建立高炉合理炉型设计体系及方法，拓宽高炉对不同原料和操作习惯的适应能力。对于高炉上部尺寸，通过布料规律优化炉喉直径和炉喉高度；基于矿石还原度规律、焦炭失重规律和高炉仿真技术优化炉身高度和角度。对于高炉下部尺寸，基于炉腹煤气侵蚀曲线规律优化炉腹角；基于最佳鼓风动能的炉腹及风口设计优化炉缸直径；基于合理的炉缸储渣铁量优化炉缸高度。再结合透气性限制原则，确定最佳的炉腰直径和炉腹高度。
如图2所示，可构建高炉全炉数字仿真，并将上述技术进行耦合，得到不同级别高炉最佳的炉型设计方案，从而最大化地适应炼铁原料和高炉操作的变化，最大化地实现高炉高效、低耗生产，相关研究成果已在宝钢、柳钢集团防钢基地、日照钢铁厂、台塑越南河静钢厂、印度塔塔钢铁厂等国内外30余座高炉应用，取得了良好效果。
1.3 基于高效机理研究了高产低耗的技术方法
高炉高效顺行的关键是上升煤气与下降炉料之间的平衡。布料和鼓风分别影响料面和风口回旋区形状，进而影响软熔带形状，从而决定了炉内的气流分布和炉料下降速度。通过大量理论研究和实践经验，探寻获得高炉高效低耗冶炼机理，如图3所示，发现高效和低耗在合理的设计、控制和操作条件下是能够共存的。即在实际生产过程中，可以通过优化炉顶布料方式，形成合理的料面形状，实现高鼓风动能低压差生产。最终实现全焦比显著降低，达到高产低耗的目标。
1.4 用系统工程理论解决高炉长寿问题
高炉长寿技术是一个系统工程，涉及高炉设计、设备耐火材料制造、施工、生产管理及操作、检测维护等多方面，哪一方面不到位，都将影响高炉寿命，要采取综合技术措施。然而，传统炉缸侵蚀模型只具有炉缸侵蚀曲线功能，只能计算炉缸侵蚀情况。如图4所示，中冶赛迪开发出高炉炉缸传热模型，将凝铁层、气隙计算及跟踪等炼铁炉缸长寿技术进行集成，建立炉缸长寿动态管控模块，实时跟踪凝铁层状态，进而诊断炉缸侵蚀原因，确定保护措施，最终助力企业实现高炉长寿目标。
2 围绕降低原料成本的矿冶一体化技术研究和实践
随着国内钢铁企业进口矿的依赖程度的提升，优质矿石资源的日益减少，在保证高炉顺行的前提下，综合使用各种贫矿劣矿冶炼，是钢铁企业降本增效的有力手段。如图5(a)所示，中冶赛迪基于“原料-烧结-高炉”一体化配矿模型，动态优化实现以高炉为中心，制定铁水成本最优的配矿方案。如图5(b)所示，以五矿曹妃甸国际矿石中心项目为依托，开创了精混匀粉定制化入炉模式，打造铁矿石供应的集约化、高效化、绿色化供应链。将配矿、混矿、冶炼技术与贸易、金融、物流仓储结合起来，为河北地区钢铁企业提供最具竞争力的矿石解决方案，在降低原料成本的同时确保高炉的顺行，实现最终降低铁水成本5~10元/t。
3 不断探索高炉智能化技术的应用
中冶赛迪在智能炼铁领域进行了长期的研发和探索。2000年以前，高炉冶炼主要根据L1画面数据及经验判断的传统模式进行。到2010年，随着数学模型和专家系统在高炉上的应用，建立了覆盖高炉工艺全流程的模型体系，但是这一体系仅能进行单个模型计算，解决局部性的问题。2015年，随着将大数据方法与冶炼工艺、大数据平台相结合，智能炼铁技术取得了长足的进步。
3.1 铁区智能制造技术
通过将大数据与工艺结合，及铁烧焦料的协同分析体系，中冶赛迪在行业内首次研发了多工序协同的铁区一体化智能管控平台。通过大量智能化模型将操作人员从大量低效重复工作中解放出来，实现了原料、烧结、焦化、高炉间跨工序共享与协同，高效决策，精准执行的铁前“一盘棋”模式。
铁区一体化智能管控平台通过信息的高效传递，同时依赖大数据技术为不同岗位操作人员提供决策和操作信息，不断探索降低成本和提升产能的路径。图6所示为韶钢铁区智慧中心项目，采用铁区一体化管控平台，实现大规模集控、无边界协同、大数据决策。投入使用以来，铁前42个中控室合为1个，操作岗位减少40%，吨铁成本降低25元，焦比降低25 kg/t，煤比上升24 kg/t，日均产量提高500 t，能介综合能耗降低4 kg/t，带来的直接经济效益1.8亿元/a，经济效益显著提升。
3.2 铁水运输智能运输系统
在不断提升高炉工序竞争力的同时，关注跨工序间的界面物流对成本的影响。经过数年的研发和联调，中冶赛迪研发的全球首套智慧铁水运输系统如图7所示。2020年7月底，该系统成功在宝武湛江钢铁投用，全厂8台机车、28台鱼雷罐车实现全系统无人化运行。智慧铁水运输系统采用管理数据化、调度智能化、运输无人化模式，达到了人身伤害事故为0、人员减少60%、机车/罐车利用率提升12.5%、运输效率提升10%、油耗降低5%的效益。目前，系统运转平稳，标志着铁水运输“无人化”时代正式开启。
3.3 微纳米传感器
快速、高效的监测系统对高炉生产过程中炉缸安全至关重要，这就需要有高效、灵敏的传感器。中冶赛迪集合了国内在高性能MEMS(microelectro mechanical systems)高温薄膜温度传感材料体系与结构设计、制备、测试与应用的优势团队。开发的微纳米传感器如图8所示，其体积小、监测温度范围广、精度高、集成度高、响应速度快且安全可靠，能够实现对高炉炉缸关键部位的温度、热流强度的连续、精准、快速的全覆盖监测，为高炉的安全生产保驾护航。
3.4 基于技术创新的丰富工程业绩
中冶赛迪基于上述技术创新建立了独具特色的炼铁技术体系。截至目前，已拥有近200座高炉设计建设经验，跻身全球最具竞争力的高炉技术服务商之一。在大型高炉市场上更是具有独特优势，中冶赛迪是全球4 000 m3以上特大型高炉业绩最多的工程公司，其中中国市场占有率达70%，全球市场占有率达30%，近10年全球4 000 m3以上高炉业绩占比更是超50%。所牵头的高效低耗特大型高炉关键技术荣获2016年度国家科技进步二等奖。
近年来，中冶赛迪高炉技术和装备代表中国制造出口到欧洲、北美、南美、东南亚等国家和地区，台塑越南河静钢铁厂、印度塔塔钢铁厂、韩国浦项钢铁厂等钢铁企业成为了中冶赛迪的高炉客户。如图9所示，中冶赛迪在海外有诸多高炉业绩，在“一带一路”沿线的越南、印度、乌克兰等国家已输出6座特大型高炉，包括越南台塑河静钢铁厂4 350 m3高炉、印度塔塔钢铁厂5 873 m3高炉等具有较大国际影响力的项目，占近5年海外新建同级别高炉的60%以上。
4 未来展望
4.1 将绿色低碳化作为炼铁发展最重要的研究方向
现如今，碳排放问题日益受到大家的广泛关注，而碳排放量较高的钢铁工业更是处于限制全球绿色发展的风口浪尖。因此，欧洲、日本等已纷纷开展氢冶金等低碳绿色炼铁工艺研发，如日本COURSE50项目、欧盟ULCOS(Ultra-Low CO2 Steelmaking)项目、瑞典HYBRIT(Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology)项目，均能在现有高炉炼铁技术基础上大幅度减少二氧化碳排放。
在世界各国纷纷布局未来低碳绿色炼铁技术的大环境下，作为炼铁大国,唯有迎头追赶和超越，才能赢得未来。根据中冶赛迪数十年在低碳炼铁领域的研发经验和现有的低碳炼铁技术，提出了从源头减碳、过程减碳及末端减碳3个方面，全面的绿色低碳炼铁工艺解决方案。
4.2 将深度智能化作为未来炼铁技术发展的重要制高点
中冶赛迪将进一步抓住智能化大数据的发展机遇，在炼铁智能化领域继续深耕，构造完整的智能制造技术体系。
(1)构建2.0版智慧高炉体系。以数字孪生为基础，打造虚拟工长，构建2.0版智慧高炉体系，依托数字化设计，以及基于大数据、在线仿真和数学模型相结合构建高炉数字孪生，实现冶炼可视化。应用一系列智能感知、智能算法，开发智能操炉系统“虚拟工长”，实现智能操炉与智能炼铁。
(2)打造CISDigtial工业互联网平台。从设计、生产到运维，打通高炉冶炼的全生命周期数据链，继续完善CISDigtial平台的功能。基于CISDigtial工业互联网平台，打通从设计、生产到运维的全数据链条，为铁前全数字、一体化、智能化的生产奠定基础。
(3)运用VR和AR技术。采用VR虚拟现实技术和AR增强现实技术，实现生产动态可视、炉况智能诊断、智能巡检维修、在线模拟仿真、远程智能培训功能。不断提升感知和学习高炉、精准控制高炉的能力。
5 结语
如今，中国钢铁工业已由产量化向绿色化、智能化方向发展。中冶赛迪紧密围绕新时期炼铁工业的发展趋势，从设计、生产、运维等全产业链条综合考虑，布局长寿、高效高炉和低碳冶炼技术研究，开发矿冶一体化技术模型，加快推进智能制造与传统工业的深度融合。面向未来，中冶赛迪将在绿色低碳冶炼工艺等方面持续创新，助力炼铁工业的绿色化发展，同时将深度智能化作为未来高炉发展的重要制高点，为铁前绿色化、数字化、一体化、智能化的生产奠定基础，为钢铁行业持续进步做出应有的贡献。
