高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新實踐及未來展望
肖鵬
(中冶賽迪集團有限公司， 重慶 401122)
摘要：煉鐵工業(yè)已邁入綠色化、智能化發(fā)展之路。中冶賽迪根據(jù)多年冶金技術(shù)研發(fā)與工程實踐，在高效、長壽高爐領(lǐng)域取得了一系列成果，開發(fā)了多項低耗低碳冶煉技術(shù)，助力煉鐵工業(yè)的綠色化發(fā)展。同時，將智能化作為引領(lǐng)煉鐵技術(shù)從傳統(tǒng)工業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎，基于冶金工程流程學(xué)理論，創(chuàng)建了全球首個鐵區(qū)一體化智能管控平臺，未來將進一步運用大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生和數(shù)學(xué)模型，打造新一代智慧高爐，并大力開發(fā)氫冶金等低碳煉鐵新工藝技術(shù)，朝著綠色煉鐵的新目標(biāo)前進。
關(guān)鍵詞：高爐煉鐵；智能化；大數(shù)據(jù)；智能制造；綠色制造；氫冶金；技術(shù)創(chuàng)新
文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：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，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上強調(diào)，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。鋼鐵工業(yè)CO2排放量占工業(yè)總排放量16%左右，占全國的10%左右。而鐵前各工序CO2排放總量占鋼鐵工業(yè)總排放量的比例接近90%。因此，鋼鐵工業(yè)尤其是鐵前工序，其在綠色化和智能化方向上的發(fā)展迫在眉睫。
中冶賽迪作為中國鋼鐵工程技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)、中冶集團打造冶金建設(shè)國家隊的領(lǐng)跑者，和鋼鐵企業(yè)一起，不斷投入技術(shù)創(chuàng)新，在高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域進行了一系列探索和實踐。
1 高效、低耗、長壽高爐的理論與實踐創(chuàng)新
1.1 建立高爐高效低耗生產(chǎn)的新評價體系
高爐爐腹煤氣量、爐腹煤氣量指數(shù)和透氣阻力系數(shù)是衡量高爐強化冶煉的重要參數(shù)。中冶賽迪采用爐缸爐腹煤氣量指數(shù)、爐腹煤氣效率、面積利用系數(shù)的新指標(biāo)體系指導(dǎo)高爐設(shè)計和生產(chǎn)，為實現(xiàn)科學(xué)生產(chǎn)和管理創(chuàng)造了條件。
如圖1所示，圍繞如何降低高爐的燃料消耗，中冶賽迪持續(xù)開展不同級別的高爐研究，打通設(shè)計、生產(chǎn)與操作技術(shù)鏈條，以爐腹煤氣量指數(shù)理論指導(dǎo)低耗生產(chǎn)，采用大數(shù)據(jù)尋優(yōu)爐腹煤氣量指數(shù)、爐腹煤氣效率、透氣阻力系數(shù)的最佳控制區(qū)間，指導(dǎo)高爐設(shè)計與操作，實現(xiàn)最低能耗和最低碳排放的高爐冶煉，在一批高爐上實現(xiàn)同等條件下燃料比降低10~20 kg/t的實績。
1.2 基于數(shù)字仿真的高爐合理爐型設(shè)計技術(shù)體系和方法
合理爐型是高爐高效、低耗的“先天基因”，中冶賽迪通過全爐仿真與冶煉機理相結(jié)合，建立高爐合理爐型設(shè)計體系及方法，拓寬高爐對不同原料和操作習(xí)慣的適應(yīng)能力。對于高爐上部尺寸，通過布料規(guī)律優(yōu)化爐喉直徑和爐喉高度；基于礦石還原度規(guī)律、焦炭失重規(guī)律和高爐仿真技術(shù)優(yōu)化爐身高度和角度。對于高爐下部尺寸，基于爐腹煤氣侵蝕曲線規(guī)律優(yōu)化爐腹角；基于最佳鼓風(fēng)動能的爐腹及風(fēng)口設(shè)計優(yōu)化爐缸直徑；基于合理的爐缸儲渣鐵量優(yōu)化爐缸高度。再結(jié)合透氣性限制原則，確定最佳的爐腰直徑和爐腹高度。
如圖2所示，可構(gòu)建高爐全爐數(shù)字仿真，并將上述技術(shù)進行耦合，得到不同級別高爐最佳的爐型設(shè)計方案，從而最大化地適應(yīng)煉鐵原料和高爐操作的變化，最大化地實現(xiàn)高爐高效、低耗生產(chǎn)，相關(guān)研究成果已在寶鋼、柳鋼集團防鋼基地、日照鋼鐵廠、臺塑越南河靜鋼廠、印度塔塔鋼鐵廠等國內(nèi)外30余座高爐應(yīng)用，取得了良好效果。
1.3 基于高效機理研究了高產(chǎn)低耗的技術(shù)方法
高爐高效順行的關(guān)鍵是上升煤氣與下降爐料之間的平衡。布料和鼓風(fēng)分別影響料面和風(fēng)口回旋區(qū)形狀，進而影響軟熔帶形狀，從而決定了爐內(nèi)的氣流分布和爐料下降速度。通過大量理論研究和實踐經(jīng)驗，探尋獲得高爐高效低耗冶煉機理，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)高效和低耗在合理的設(shè)計、控制和操作條件下是能夠共存的。即在實際生產(chǎn)過程中，可以通過優(yōu)化爐頂布料方式，形成合理的料面形狀，實現(xiàn)高鼓風(fēng)動能低壓差生產(chǎn)。最終實現(xiàn)全焦比顯著降低，達到高產(chǎn)低耗的目標(biāo)。
1.4 用系統(tǒng)工程理論解決高爐長壽問題
高爐長壽技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，涉及高爐設(shè)計、設(shè)備耐火材料制造、施工、生產(chǎn)管理及操作、檢測維護等多方面，哪一方面不到位，都將影響高爐壽命，要采取綜合技術(shù)措施。然而，傳統(tǒng)爐缸侵蝕模型只具有爐缸侵蝕曲線功能，只能計算爐缸侵蝕情況。如圖4所示，中冶賽迪開發(fā)出高爐爐缸傳熱模型，將凝鐵層、氣隙計算及跟蹤等煉鐵爐缸長壽技術(shù)進行集成，建立爐缸長壽動態(tài)管控模塊，實時跟蹤凝鐵層狀態(tài)，進而診斷爐缸侵蝕原因，確定保護措施，最終助力企業(yè)實現(xiàn)高爐長壽目標(biāo)。
2 圍繞降低原料成本的礦冶一體化技術(shù)研究和實踐
隨著國內(nèi)鋼鐵企業(yè)進口礦的依賴程度的提升，優(yōu)質(zhì)礦石資源的日益減少，在保證高爐順行的前提下，綜合使用各種貧礦劣礦冶煉，是鋼鐵企業(yè)降本增效的有力手段。如圖5(a)所示，中冶賽迪基于“原料-燒結(jié)-高爐”一體化配礦模型，動態(tài)優(yōu)化實現(xiàn)以高爐為中心，制定鐵水成本最優(yōu)的配礦方案。如圖5(b)所示，以五礦曹妃甸國際礦石中心項目為依托，開創(chuàng)了精混勻粉定制化入爐模式，打造鐵礦石供應(yīng)的集約化、高效化、綠色化供應(yīng)鏈。將配礦、混礦、冶煉技術(shù)與貿(mào)易、金融、物流倉儲結(jié)合起來，為河北地區(qū)鋼鐵企業(yè)提供最具競爭力的礦石解決方案，在降低原料成本的同時確保高爐的順行，實現(xiàn)最終降低鐵水成本5~10元/t。
3 不斷探索高爐智能化技術(shù)的應(yīng)用
中冶賽迪在智能煉鐵領(lǐng)域進行了長期的研發(fā)和探索。2000年以前，高爐冶煉主要根據(jù)L1畫面數(shù)據(jù)及經(jīng)驗判斷的傳統(tǒng)模式進行。到2010年，隨著數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)在高爐上的應(yīng)用，建立了覆蓋高爐工藝全流程的模型體系，但是這一體系僅能進行單個模型計算，解決局部性的問題。2015年，隨著將大數(shù)據(jù)方法與冶煉工藝、大數(shù)據(jù)平臺相結(jié)合，智能煉鐵技術(shù)取得了長足的進步。
3.1 鐵區(qū)智能制造技術(shù)
通過將大數(shù)據(jù)與工藝結(jié)合，及鐵燒焦料的協(xié)同分析體系，中冶賽迪在行業(yè)內(nèi)首次研發(fā)了多工序協(xié)同的鐵區(qū)一體化智能管控平臺。通過大量智能化模型將操作人員從大量低效重復(fù)工作中解放出來，實現(xiàn)了原料、燒結(jié)、焦化、高爐間跨工序共享與協(xié)同，高效決策，精準(zhǔn)執(zhí)行的鐵前“一盤棋”模式。
鐵區(qū)一體化智能管控平臺通過信息的高效傳遞，同時依賴大數(shù)據(jù)技術(shù)為不同崗位操作人員提供決策和操作信息，不斷探索降低成本和提升產(chǎn)能的路徑。圖6所示為韶鋼鐵區(qū)智慧中心項目，采用鐵區(qū)一體化管控平臺，實現(xiàn)大規(guī)模集控、無邊界協(xié)同、大數(shù)據(jù)決策。投入使用以來，鐵前42個中控室合為1個，操作崗位減少40%，噸鐵成本降低25元，焦比降低25 kg/t，煤比上升24 kg/t，日均產(chǎn)量提高500 t，能介綜合能耗降低4 kg/t，帶來的直接經(jīng)濟效益1.8億元/a，經(jīng)濟效益顯著提升。
3.2 鐵水運輸智能運輸系統(tǒng)
在不斷提升高爐工序競爭力的同時，關(guān)注跨工序間的界面物流對成本的影響。經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)和聯(lián)調(diào)，中冶賽迪研發(fā)的全球首套智慧鐵水運輸系統(tǒng)如圖7所示。2020年7月底，該系統(tǒng)成功在寶武湛江鋼鐵投用，全廠8臺機車、28臺魚雷罐車實現(xiàn)全系統(tǒng)無人化運行。智慧鐵水運輸系統(tǒng)采用管理數(shù)據(jù)化、調(diào)度智能化、運輸無人化模式，達到了人身傷害事故為0、人員減少60%、機車/罐車?yán)寐侍嵘?2.5%、運輸效率提升10%、油耗降低5%的效益。目前，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，標(biāo)志著鐵水運輸“無人化”時代正式開啟。
3.3 微納米傳感器
快速、高效的監(jiān)測系統(tǒng)對高爐生產(chǎn)過程中爐缸安全至關(guān)重要，這就需要有高效、靈敏的傳感器。中冶賽迪集合了國內(nèi)在高性能MEMS(microelectro mechanical systems)高溫薄膜溫度傳感材料體系與結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備、測試與應(yīng)用的優(yōu)勢團隊。開發(fā)的微納米傳感器如圖8所示，其體積小、監(jiān)測溫度范圍廣、精度高、集成度高、響應(yīng)速度快且安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)對高爐爐缸關(guān)鍵部位的溫度、熱流強度的連續(xù)、精準(zhǔn)、快速的全覆蓋監(jiān)測，為高爐的安全生產(chǎn)保駕護航。
3.4 基于技術(shù)創(chuàng)新的豐富工程業(yè)績
中冶賽迪基于上述技術(shù)創(chuàng)新建立了獨具特色的煉鐵技術(shù)體系。截至目前，已擁有近200座高爐設(shè)計建設(shè)經(jīng)驗，躋身全球最具競爭力的高爐技術(shù)服務(wù)商之一。在大型高爐市場上更是具有獨特優(yōu)勢，中冶賽迪是全球4 000 m3以上特大型高爐業(yè)績最多的工程公司，其中中國市場占有率達70%，全球市場占有率達30%，近10年全球4 000 m3以上高爐業(yè)績占比更是超50%。所牽頭的高效低耗特大型高爐關(guān)鍵技術(shù)榮獲2016年度國家科技進步二等獎。
近年來，中冶賽迪高爐技術(shù)和裝備代表中國制造出口到歐洲、北美、南美、東南亞等國家和地區(qū)，臺塑越南河靜鋼鐵廠、印度塔塔鋼鐵廠、韓國浦項鋼鐵廠等鋼鐵企業(yè)成為了中冶賽迪的高爐客戶。如圖9所示，中冶賽迪在海外有諸多高爐業(yè)績，在“一帶一路”沿線的越南、印度、烏克蘭等國家已輸出6座特大型高爐，包括越南臺塑河靜鋼鐵廠4 350 m3高爐、印度塔塔鋼鐵廠5 873 m3高爐等具有較大國際影響力的項目，占近5年海外新建同級別高爐的60%以上。
4 未來展望
4.1 將綠色低碳化作為煉鐵發(fā)展最重要的研究方向
現(xiàn)如今，碳排放問題日益受到大家的廣泛關(guān)注，而碳排放量較高的鋼鐵工業(yè)更是處于限制全球綠色發(fā)展的風(fēng)口浪尖。因此，歐洲、日本等已紛紛開展氫冶金等低碳綠色煉鐵工藝研發(fā)，如日本COURSE50項目、歐盟ULCOS(Ultra-Low CO2 Steelmaking)項目、瑞典HYBRIT(Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology)項目，均能在現(xiàn)有高爐煉鐵技術(shù)基礎(chǔ)上大幅度減少二氧化碳排放。
在世界各國紛紛布局未來低碳綠色煉鐵技術(shù)的大環(huán)境下，作為煉鐵大國,唯有迎頭追趕和超越，才能贏得未來。根據(jù)中冶賽迪數(shù)十年在低碳煉鐵領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)驗和現(xiàn)有的低碳煉鐵技術(shù)，提出了從源頭減碳、過程減碳及末端減碳3個方面，全面的綠色低碳煉鐵工藝解決方案。
4.2 將深度智能化作為未來煉鐵技術(shù)發(fā)展的重要制高點
中冶賽迪將進一步抓住智能化大數(shù)據(jù)的發(fā)展機遇，在煉鐵智能化領(lǐng)域繼續(xù)深耕，構(gòu)造完整的智能制造技術(shù)體系。
(1)構(gòu)建2.0版智慧高爐體系。以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，打造虛擬工長，構(gòu)建2.0版智慧高爐體系，依托數(shù)字化設(shè)計，以及基于大數(shù)據(jù)、在線仿真和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合構(gòu)建高爐數(shù)字孿生，實現(xiàn)冶煉可視化。應(yīng)用一系列智能感知、智能算法，開發(fā)智能操爐系統(tǒng)“虛擬工長”，實現(xiàn)智能操爐與智能煉鐵。
(2)打造CISDigtial工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。從設(shè)計、生產(chǎn)到運維，打通高爐冶煉的全生命周期數(shù)據(jù)鏈，繼續(xù)完善CISDigtial平臺的功能?；贑ISDigtial工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，打通從設(shè)計、生產(chǎn)到運維的全數(shù)據(jù)鏈條，為鐵前全數(shù)字、一體化、智能化的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
(3)運用VR和AR技術(shù)。采用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)和AR增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)動態(tài)可視、爐況智能診斷、智能巡檢維修、在線模擬仿真、遠(yuǎn)程智能培訓(xùn)功能。不斷提升感知和學(xué)習(xí)高爐、精準(zhǔn)控制高爐的能力。
5 結(jié)語
如今，中國鋼鐵工業(yè)已由產(chǎn)量化向綠色化、智能化方向發(fā)展。中冶賽迪緊密圍繞新時期煉鐵工業(yè)的發(fā)展趨勢，從設(shè)計、生產(chǎn)、運維等全產(chǎn)業(yè)鏈條綜合考慮，布局長壽、高效高爐和低碳冶煉技術(shù)研究，開發(fā)礦冶一體化技術(shù)模型，加快推進智能制造與傳統(tǒng)工業(yè)的深度融合。面向未來，中冶賽迪將在綠色低碳冶煉工藝等方面持續(xù)創(chuàng)新，助力煉鐵工業(yè)的綠色化發(fā)展，同時將深度智能化作為未來高爐發(fā)展的重要制高點，為鐵前綠色化、數(shù)字化、一體化、智能化的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，為鋼鐵行業(yè)持續(xù)進步做出應(yīng)有的貢獻。
