针对传统高炉工艺严重依赖焦炭和煤，中上部还原驱动力不足、反应慢、碳化学能利用率仅约60%等问题，研究团队着力研发富氢气体喷吹、炉顶煤气循环、高富氧冶炼等耦合集成的新一代低碳高炉炼铁工艺技术，形成了工艺制度与炉况、技术经济性协调匹配、炉料冶金性能协同调控等技术和理论，获得了富氢喷吹-炉顶煤气循环-氧气高炉工艺配置，弄清炉顶煤气自循环率100%时碳减排32.52%的潜力，为梅钢、西昌钢钒、莱钢等钢铁企业提供了工业化应用方案。同时，围绕低碳炼铁新炉料，形成了系统的复合铁焦制备工艺，集成开发一套完整的复合铁焦设备，实现压块和炭化竖炉等关键设备的自主研发，2万吨级中试基地设计与工程建设全面展开（图1），填补国内在铁焦制备工艺技术和关键装置的空白。

聚焦高炉炼铁生产过程复杂、全流程“黑箱”、严重的不确定性、工序间协同性差、数据利用水平低、操作依赖专家经验、优化手段不够全面等问题，研究团队基于铁区一体化闭环赋能体系与炼铁信息物理系统的技术思想，全面开展智能化炼铁研究工作，形成了烧结-高炉一体化智能化炼铁技术，技术路线如图2所示。

首先，智能化烧结技术在分析产品需求、工艺操作制度、原燃料条件和装备能力间内在联系的基础上，建立烧结智能配矿、烧结运行状态预测与优化、烧结矿质量预测与优化和烧结工序综合状态评价与优化模型，准确地挖掘烧结原料、烧结过程参数与烧结矿成分质量之间的逻辑关系，围绕烧结智能优化配矿、烧结过程参数智能预测、烧结状态质量综合评价与优化协同调控，实现烧结工序内部优化，提升烧结产线稳定性。其次，烧结作为高炉的前段工序，其产品是高炉炉料的最主要来源，烧结矿质量好坏极大影响高炉操作的稳定高效。根据高炉炉况顺行状态与铁水质量的综合评价，有效地对烧结过程进行动态反馈，优化烧结工序操作制度，实现“烧结-高炉”工序间的协同优化。而后，高炉智能化技术采用数据治理、时滞性分析、关联规则挖掘等手段改善了高炉数据质量和数据利用率，致力于解析高炉“原料条件-操作制度-炉况顺行-铁水质量”之间的平衡关系。同时，融合高炉工艺与智能算法重点研发了高炉料制优化、高炉炉况关键指标（透气性指数、热流强度、煤气利用率等）预测与反馈、高炉炉缸活跃性智能评价预测与反馈、高炉操作炉型智能管理、高炉炉渣碱度闭环智能调整、高炉炉热智能预测与反馈、高炉综合炉况智能评价预测与优化调控等系列高炉智能化模型，烧结-高炉一体化智能化炼铁技术将大数据技术与冶金工艺深度融合，通过对炼铁生产过程的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行，实现冶炼状态和产品质量精确评价与预测，提出可靠的智能决策与优化操作方法，有助于炼铁过程稳定高效生产和节能减排，强力推动钢铁产业智能化转型升级，为炼铁智能化提供了创新发展方向。

在智能化烧结方面，形成了烧结-高炉一体化智能配矿新技术，实现了烧结矿TFe、碱度、镁铝比、转鼓指数、成品率、利用系数、RDI+3.15、软化开始温度、软化结束温度、压差陡升温度、滴落温度、透气性S值预测误差4%时命中率98%以上，国内首次实现烧结智能优化配矿，吨铁成本降低5元。开发了国内首创烧结过程智能预测与优化技术，实现了烧结状态质量综合实时定量评价、烧结关键指标动态精准预测、量化调整措施实时推送。烧结状态稳定性提高10%以上，烧结矿质量稳定性提高5%以上，欠烧基本消除，过烧比例减少10%以上。

在智能化高炉方面，与梅钢合作，在国内首次提出铁区一体化信息物理系统大模型方案，分三阶段实施，2024年3月前高炉智能冶炼大模型系统全部落地，全面指导高炉生产。2023年已实现4700m3高炉炉温提前1-3h预测，在线运行准确率大于85%，炉热模型将从煤粉喷吹量、鼓风湿度、热风温度、焦炭负荷、富氧流量和冷风流量六个方面为高炉操作者推送量化的调整措施，应用期间，炉热模型反馈措施调整方向符合生产实际，为有效稳定高炉炉温水平提供积极指导。

针对氢冶金技术和理论体系尚待完善，自主知识产权的装备尚未成型中试，钒钛矿等战略资源高效利用工艺技术尚未明晰和中试等问题，构建了氢基竖炉直接还原基础理论体系，形成具有自主知产权的氢基竖炉直接还原关键技术，成果应用有效保障了宝钢和河钢氢基竖炉顺利投产和运行，成为国内氢冶金前沿技术研发的中坚力量。同时，研发基于氢冶金的高、中、低钛型钒钛磁铁矿高效低碳高效利用关键技术及新工艺，研究成果广泛应用于宝钢、河钢，并与河钢签订钒钛矿氢基竖炉还原-电熔分试验合同，在示范工程建成后开展工业化试验。经过多年积累，研发和设计了自主知识产权的氢基竖炉装备，国内首个基于氢气竖炉-绿色电炉-高端特钢的零碳钢铁短流程中试基地设计与工程全面展开。

针对宣钢氢基竖炉生产中遇到的原料冶金性能与经济性匹配难、直接还原铁开裂等问题，进行原料基础特性、优化配矿等研究，构建了高品位铁精矿资源基础特性数据库，提出了适用于宣钢氢基竖炉冶炼的高品位氧化球团制备技术途径，为现场生产奠定了良好的原料基础，解决了直接还原铁裂半等问题。

与宝武集团合作，围绕绿色低碳冶金技术创新工程，模拟湛江氢基竖炉工艺，开展了氢基竖炉还原机理的研究，形成了基于湛江氢气竖炉球团制备原料选择及冶金性能优化理论技术，并结合现场需求，开发了氢基竖炉-电炉短流程工艺模型，为湛江氢基竖炉冶炼指明了优化改进方向，提供了适宜的生产工艺操作制度和技术方案。

围绕钢铁产业碳中和以及高质化发展的战略目标，针对我国氢气竖炉氢冶金和高端特殊钢冶炼技术体系中亟待突破的核心技术、关键装备和工程示范等重大需求，研究团队通过政产学研用协同创新，研发氢气竖炉-绿色电炉零碳钢铁冶金短流程前沿技术与重大装备，自主设计了氢气电加热炉、氢气竖炉等核心装备，国内首座具有自主知识产权的万吨级氢气竖炉短流程示范工程建设已全面开展（图3），目前，已取得如下进展：1）氢气智能化电加热、氢气竖炉直接还原等工艺理论和关键技术研究；2）项目整体规划、备案审批、全套工程设计、公辅设施建设等；3）项目资金已经筹措到位；4）完成了氢气竖炉直接还原全套系统招投标、工程设计；5）落实了氢源，与昆仑汉兴能源公司签订长期供氢协议。

基于上述研究成果，低碳炼铁工艺与装备技术方向发表学术论文27篇，其中SCI收录18篇，申请发明专利8项；获批工信部重大专项1项、国家自然科学基金联合重点1项、国家自然科学基金青年基金1项；新签订横向项目15项，并完成力拓、BHP及国内宝武、河钢等多家企业相关技术研发，均获得良好的技术指标；储满生劳模创新工作室被授予“辽宁省劳模创新工作室”；辽宁省沈抚改革创新示范区东北大学工业技术研究院万吨级氢气竖炉示范工程全面展开；参与完成的“基于多目标耦合优化的智能配矿技术研发与应用”科技成果经中国钢铁工业协会鉴定评价为国际先进水平。

《世界金属导报》

2024年第7期 B05