云南某鋼企煉鐵工業(yè)的發(fā)展歷程、技術(shù)特征及前景*

林安川，邱貴寶，張曉雷，劉曉蘭，蔣玉波

（1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650302；2.武鋼集團(tuán)昆明鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，云南 昆明 650302；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。鋼鐵伴隨和促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展，煉鐵工序系統(tǒng)技術(shù)裝備發(fā)展及資源綜合利用程度，決定了高爐技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)水平及最終產(chǎn)品-生鐵的數(shù)量與質(zhì)量[1]?，F(xiàn)代煉鐵為鋼鐵流程系統(tǒng)中第一大工序，涵蓋焦化、燒結(jié)球團(tuán)、高爐及其附屬供輔設(shè)施，因此煉鐵的發(fā)展是系統(tǒng)性技術(shù)裝備和資源利用的進(jìn)步體現(xiàn)，以云南省某大型鋼企煉鐵工序發(fā)展歷程為例：1996年，年產(chǎn)鐵首次突破100萬(wàn)t；2007年，鐵產(chǎn)量突破500萬(wàn)t大關(guān)。2013年，在全國(guó)鋼鐵行業(yè)大面積虧損的情況下，成為西南唯一實(shí)現(xiàn)連續(xù)盈利的國(guó)有大型鋼鐵企業(yè)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展歷程，發(fā)展成為綜合競(jìng)爭(zhēng)力躋身中國(guó)500強(qiáng)的大型國(guó)有企業(yè)。煉鐵工序?qū)崿F(xiàn)了裝備多元化、爐容大型化，操作標(biāo)準(zhǔn)化、智能化，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)化、資源拓展及循環(huán)利用的發(fā)展。依靠企業(yè)技術(shù)、裝備與操作水平進(jìn)步，較好地做到了因地制宜和諧發(fā)展，形成諸多冶煉特色技術(shù)體系，不僅規(guī)?；昧嗽颇蠀^(qū)域各性價(jià)比較優(yōu)的本地及周邊資源，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也得到了持續(xù)改善。特別是，近年來(lái)利用信息化技術(shù)大力推行鋼鐵智能制造技術(shù)，這成為推動(dòng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的根本途徑，也成為煉鐵工藝重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

1 現(xiàn)代煉鐵工業(yè)總體概述及背景

1.1 我國(guó)現(xiàn)代煉鐵工業(yè)的發(fā)展歷程

我國(guó)現(xiàn)代煉鐵工業(yè)起步于建國(guó)初期，經(jīng)歷四個(gè)階段走出了一條具有中國(guó)特色自主創(chuàng)新的發(fā)展道路：①1949年～1978年為起步階段，鐵產(chǎn)量?jī)H25萬(wàn)t，包括重建鞍鋼和新建包鋼、武鋼等；②1978年～2000年為穩(wěn)中求進(jìn)階段，1992年鋼產(chǎn)量世界第一，1995年突破1億噸，2000年達(dá)1.3億t；③2000年～2013年為加速發(fā)展階段，生鐵年產(chǎn)量突破7億t，占世界生鐵產(chǎn)量的半壁江山；④2013年以后由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，開(kāi)始呈現(xiàn)減量化和創(chuàng)新發(fā)展的態(tài)勢(shì)。2020年，世界排名前十名的鋼鐵企業(yè)中中國(guó)企業(yè)占6家；其中寶鋼規(guī)模已經(jīng)超越安賽樂(lè)米塔爾，成為新的世界第一[2]。

1.2 我國(guó)煉鐵工業(yè)技術(shù)裝備、指標(biāo)的進(jìn)步表現(xiàn)

我國(guó)煉鐵工業(yè)技術(shù)裝備、指標(biāo)的進(jìn)步主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）主要指標(biāo)進(jìn)步。第2階段中期，我國(guó)煉鐵工業(yè)由不斷引進(jìn)、消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)發(fā)展為依靠自主創(chuàng)新持續(xù)刷新技術(shù)指標(biāo)。我國(guó)高爐（寶鋼）燃比降至500 kg/t，實(shí)現(xiàn)半焦半煤，達(dá)到世界先進(jìn)水平。利用系數(shù)由初期的1.5 t/（m3·d） 提升并穩(wěn)定在 （2.2～2.5） t/（m3·d）；

2）技術(shù)裝備進(jìn)步（從輸入到輸出）。1985年9月投產(chǎn)的寶鋼1號(hào)高爐（4 063 m3）工藝裝備和操控系統(tǒng)從具有當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)水平的日本新日鐵公司引進(jìn)[2]；目前，我國(guó)已建成了完整的全國(guó)產(chǎn)化高爐煉鐵生產(chǎn)系統(tǒng)并走出國(guó)門建鋼鐵廠，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)裝備的全方位技術(shù)輸出，已經(jīng)開(kāi)始引領(lǐng)世界煉鐵技術(shù)的發(fā)展[3]；

3） 煉鐵發(fā)展方向。徐匡迪[3]院士指出：煉鐵工業(yè)應(yīng)努力降低工序能耗和減少污染排放，進(jìn)一步降低燃料消耗，延長(zhǎng)高爐壽命；開(kāi)發(fā)綠色潔凈的煉鐵工藝[4]；積極探索高爐智能技術(shù)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬仿真、在線優(yōu)化及其智能控制[5]。

2 云南某大型鋼企煉鐵系統(tǒng)發(fā)展歷程、技術(shù)特征及其優(yōu)勢(shì)

煉鐵是一個(gè)龐大的系統(tǒng)和工程，具有連續(xù)性作業(yè)、影響因素眾多的特點(diǎn)。因此，資源的綜合利用和煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提升必然是一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)步的體現(xiàn)；做到具備眾多環(huán)節(jié)的高爐冶煉系統(tǒng)高水平穩(wěn)定生產(chǎn)需要依靠技術(shù)裝備進(jìn)步和精細(xì)化操作技術(shù)的持續(xù)提升。

在數(shù)十年的發(fā)展歷程中，云南某大型鋼企圍繞煉鐵技術(shù)革新、效率提升、提質(zhì)降耗和創(chuàng)造社會(huì)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，高爐、燒結(jié)球團(tuán)以及焦化在裝備多元化發(fā)展，操作精細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展，生產(chǎn)工藝、技術(shù)指標(biāo)發(fā)展等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

2.1 高爐

1）裝備多元化發(fā)展。曾號(hào)稱“西南第一爐”的2 000 m3高爐投產(chǎn)，拉開(kāi)云南煉鐵高爐大型化的序幕，歷程包括：71 m3-255 m3-380 m3-450 m3-620 m3-1 080 m3-1 350 m3-2 000 m3-2 500 m3實(shí)現(xiàn)大型化的過(guò)程。目前云南最大的高爐為2 500 m3高爐；爐體及附屬設(shè)備變遷方面，爐頂結(jié)構(gòu)：雙鐘式爐頂→并罐式→串罐式無(wú)料鐘爐頂；冷卻系統(tǒng)：開(kāi)放式冷卻→軟（純）水密閉循環(huán)冷卻（結(jié)合冷卻壁經(jīng)歷4代的發(fā)展，銅冷卻器的應(yīng)用）；熱風(fēng)爐系統(tǒng)：內(nèi)燃式→改良式內(nèi)燃式→卡盧金頂燃式[6]；高爐內(nèi)襯結(jié)構(gòu)方面：黏土磚、高鋁磚-碳化硅、碳化硅-氮化硅-碳氮化硅磚；爐缸結(jié)構(gòu)：碳磚（自焙）→全陶瓷杯結(jié)構(gòu)；整體澆筑技術(shù)的應(yīng)用；

2）操作標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展。高爐生產(chǎn)操作方面：經(jīng)歷人工→半自動(dòng)化→自動(dòng)化→智能化發(fā)展，是一個(gè)從重體力人工勞作到現(xiàn)代自動(dòng)化、智能化作業(yè)的發(fā)展過(guò)程，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率提升得到非常大的改善。特別是，鋼鐵操作技術(shù)的智能化發(fā)展已成為今后一個(gè)發(fā)展方向，也是促進(jìn)鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要手段；

3）生產(chǎn)工藝、技術(shù)指標(biāo)發(fā)展。高爐操作工藝歷程變遷：常壓操作→高頂壓操作；無(wú)氧、低煤比、低風(fēng)溫操作→大風(fēng)量、大氧量、高風(fēng)溫、經(jīng)濟(jì)煤比操作；風(fēng)溫從800℃提高到1 250℃，富氧率達(dá)到5.0%以上；ω（[Si]）＜0.350%低硅冶煉成效顯著，部分高爐長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)了ω（[Si]）＜0.20%的超低硅低硫穩(wěn)定生產(chǎn)[7]。整體上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的大幅度增長(zhǎng)和燃料消耗、排放的大幅降低。得到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果體現(xiàn)在：降低0.1%的鐵水硅含量可降低4 kg焦炭（約10元/t鐵）；提高100℃風(fēng)溫節(jié)焦（13～19） kg/t；中、大型高爐利用系數(shù)突破3.0 t/（m3·d） （1 000 m3級(jí) 4.0 t/（m3·d））。高爐制造能力指數(shù)顯著提升，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)環(huán)保效益顯著；

4）資源循環(huán)利用發(fā)展、資源拓展使用發(fā)展。消化內(nèi)部含鐵資源，做到因地制宜、循環(huán)利舊，包括：高爐添加廢鋼、干渣磁選鐵等，有效降低燃料消耗，增加產(chǎn)量、提升金屬回收率；煉鐵是資源消耗的大戶（1噸鐵需要1.7 t礦石，0.55 t燃料，一個(gè)大型鋼企就需要1 600萬(wàn)t的資源量和物流量），煉鐵工序產(chǎn)業(yè)鏈裝備、技術(shù)的持續(xù)加強(qiáng)和進(jìn)步，原燃料質(zhì)量大為改善，顯著地?cái)U(kuò)大了本地資源的利用范圍：從最開(kāi)始的生礦+熔劑到去熔劑全熟料爐料結(jié)構(gòu)再到熟料+塊礦爐料結(jié)構(gòu)；噴吹燃料結(jié)構(gòu)方面：經(jīng)歷了全無(wú)煙煤→無(wú)煙煤煙煤混合→無(wú)煙煤褐煤混合經(jīng)濟(jì)高效噴吹的一個(gè)過(guò)程。

2.2 燒結(jié)球團(tuán)

1）燒結(jié)、球團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)裝備發(fā)展。作為煉鐵主要原料燒結(jié)礦、球團(tuán)礦生產(chǎn)設(shè)備，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車面積經(jīng)歷了18 m2-20.4 m2-130 m2-210 m2-260 m2-300 m2-450 m2大型化發(fā)展的過(guò)程；附屬裝備發(fā)展方面，布料系統(tǒng)：滾筒布料→九輥布料；冷卻系統(tǒng)：帶式冷卻→環(huán)形冷卻；抽風(fēng)系統(tǒng)：?jiǎn)螣煹馈p煙道；鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯、帶式球團(tuán)產(chǎn)線生產(chǎn)酸性氧化鎂球團(tuán)；脫硫脫硝系統(tǒng)的全面投入應(yīng)用等；

2）操作標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展。燒結(jié)、球團(tuán)操作方面：經(jīng)歷配料室人工配料→綜合料場(chǎng)機(jī)械化混勻料造堆→全過(guò)程控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集→智能化發(fā)展；生產(chǎn)基地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)字化無(wú)人料場(chǎng)和智能配料、點(diǎn)火、燒結(jié)等；

3）資源循環(huán)利用綜合技術(shù)發(fā)展。燒結(jié)、球團(tuán)工藝技術(shù)方面，操作上實(shí)現(xiàn)：薄鋪快轉(zhuǎn)→高負(fù)壓、厚料層燒結(jié)；熔劑配加：從單純的石灰石粉-石灰石粉到生石灰粉+白云石粉+輕燒白云石粉混合應(yīng)用改善燒結(jié)礦質(zhì)量，在成品燒結(jié)礦表面噴灑CaCl2溶液等都是從無(wú)到有的一個(gè)歷程。本地及周邊循環(huán)利用方面，實(shí)現(xiàn)：含高結(jié)晶水褐鐵礦配比達(dá)70%，釩鈦磁鐵精礦配比＞15%以及100%應(yīng)用攀西地區(qū)釩鈦球團(tuán)礦等。

2.3 焦化

1）裝備多元化發(fā)展。焦化生產(chǎn)裝備方面，焦化炭化室高度：4.3 m-6 m-5.5 m；裝備建成投產(chǎn)發(fā)展歷程：58-1型42孔4.3 m焦?fàn)t→JN60-3型50孔6 m現(xiàn)代化大型焦?fàn)t（頂裝） →42孔4.3 m焦?fàn)t（搗固）→55孔5.5 m焦?fàn)t（搗固）；

2）生產(chǎn)工藝、操作標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展。焦?fàn)t生產(chǎn)工藝由頂裝→頂裝+干熄焦→搗固+干熄焦+煤調(diào)濕技術(shù)方向逐步發(fā)展；焦化生產(chǎn)操作方面，同樣也是經(jīng)歷人工→半自動(dòng)化→自動(dòng)化→信息化的一個(gè)過(guò)程。2013年后陸續(xù)研發(fā)并新建成物流信息化系統(tǒng)、干熄焦裝焦控制系統(tǒng)、搗固焦?fàn)t自動(dòng)加熱系統(tǒng)、煤調(diào)濕自動(dòng)控制系統(tǒng)（裝爐煤水分控制工藝） 等，包括自動(dòng)測(cè)溫、全智能配煤系統(tǒng)等智能化手段陸續(xù)投入生產(chǎn)使用；

3）煤焦資源利用及深加工發(fā)展。主要體現(xiàn)在焦化生產(chǎn)及副產(chǎn)品資源利用方面，按照簡(jiǎn)單回收利用→深加工發(fā)展方向，相繼建成投產(chǎn)5 t苯加氫裝置、15萬(wàn)t煤焦油及甲醇深加工裝置。2013年以來(lái)，研發(fā)非煉焦煤改性技術(shù)，將非焦煤資源應(yīng)用比例擴(kuò)大到30%。

3 云南本地及周邊煉鐵資源特點(diǎn)及冶煉技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在鋼鐵聯(lián)合生產(chǎn)過(guò)程中，生鐵冶煉成本占噸材總成本的70%～75%，而在煉鐵成本中原燃料成本又高達(dá)90%以上，降低煉鐵成本是增強(qiáng)鋼鐵企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。價(jià)格高昂的進(jìn)口礦石及日趨上漲的物流費(fèi)用，使得鋼鐵企業(yè)盈利能力大大降低，應(yīng)用和加大云南本地及周邊鐵礦石資源的使用比例成為緩解云南高爐冶煉成本壓力的選擇。云南鋼鐵企業(yè)在市場(chǎng)上具有一定的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，但與省外、國(guó)外鋼鐵企業(yè)相比，在客觀條件上并不占有優(yōu)勢(shì)，因此，針對(duì)云南及周邊礦石、燃料特點(diǎn)研發(fā)出諸多專有技術(shù)及并入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)粗糧細(xì)作，走出了一條因地制宜、針對(duì)資源特點(diǎn)的具有云南冶煉特色的發(fā)展之路，成為增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的撬動(dòng)點(diǎn)。

3.1 云南區(qū)域鐵礦石資源特點(diǎn)

1） 云南省內(nèi)鐵礦石與煤焦燃料資源特點(diǎn)[8]。本地鐵礦石資源具有品位較低、ω（SiO2）、ω（Al2O3）等脈石雜質(zhì)及鉀鈉、鉛鋅等有害元素含量較高的特點(diǎn)；由于煤炭資源具有優(yōu)質(zhì)煉焦煤少、灰硫分較高而帶來(lái)的供煉鐵用焦炭具有固定碳含量不高，灰分、硫分較高，水分不穩(wěn)定、發(fā)熱值低的不足。整體規(guī)?；瘧?yīng)用后表現(xiàn)為：造渣量大，生鐵硅含量及爐渣堿度波動(dòng)大，有害元素對(duì)冶煉行程及高爐爐型產(chǎn)生危害難于兼顧生鐵中ω（[Si]）、ω（[S]）與物理熱的匹配，易于造成冶煉生鐵產(chǎn)量、質(zhì)量、爐況波動(dòng)，操作中也難以形成有效穩(wěn)定的技術(shù)參數(shù)；

2）云南周邊兩大鐵礦石資源特點(diǎn)。云南省周邊具有儲(chǔ)量豐富的釩鈦磁鐵礦和高結(jié)晶水褐鐵礦資源。釩鈦磁鐵礦中，不利的一面表現(xiàn)為：Te主要以較難還原的Fe3O4形式存在，冶煉進(jìn)程中，滲碳均勻程度、鐵與脈石成分的分離難度加劇。再加上鈦與碳、氮結(jié)合生成高熔點(diǎn)物質(zhì)的影響，這必然對(duì)成渣帶透氣透液性、渣鐵流動(dòng)性造成不利影響；優(yōu)點(diǎn)是：比之普通礦又具有較低的ω（SiO2）、ω（Al2O3）等脈石成分及有害元素，尤其是由于礦源單一，成分性能具有較好的穩(wěn)定性；含高結(jié)晶水高錳褐鐵礦中，Te主要以較易還原的Fe2O3形式存在，但又存在由其燒成的燒結(jié)礦易形成薄壁大孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致強(qiáng)度難以保證；含結(jié)晶水天然塊礦易碎裂產(chǎn)生粉末，在應(yīng)用規(guī)模、強(qiáng)化冶煉方面存在限制。但其比之其他普通礦又具有較低的ω（SiO2）、有害元素和較高的ω（MnO），并且由于礦源單一，成分性能又具有較好的穩(wěn)定性。尤其是，較高、較易還原的ω（MnO） 具有利于改善渣鐵流動(dòng)性及提升生鐵附加值的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 釩鈦礦冶煉特色及冶煉技術(shù)成效（中鈦渣高強(qiáng)化冶煉）

目前，1 080 m3高爐已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全釩鈦球團(tuán)（>36%）的強(qiáng)化冶煉，并且在燒結(jié)配料中逐步增加釩鈦精礦的使用比例。操作上采用大風(fēng)量、高富氧（富氧率>6.0%）、高理論燃燒溫度（>2 400℃）、大礦批的操作參數(shù)[9]。擺脫了對(duì)優(yōu)質(zhì)進(jìn)口資源的依賴程度，顯著促進(jìn)低ω（[Si]）生鐵冶煉，2020年均ω（[Si]）同比降低0.04%，穩(wěn)定性增強(qiáng)；體現(xiàn)了較好的增產(chǎn)成效，同比利用系數(shù)升高0.17 t/（m3·d），全年增加產(chǎn)量67 014 t，扣除因客觀條件外，年產(chǎn)量直接增加為49 577 t；即增加產(chǎn)量4.26%，按照噸鐵冶煉成本固定費(fèi)用200元/t計(jì)算，降低制造成本8.529元/t，全年降低制造成本1 025.472 2萬(wàn)元。目前利用系數(shù)穩(wěn)定在3.80 t/（m3·d） 以上。

3.3 高錳礦特色冶煉、大型高爐高強(qiáng)冶煉技術(shù)及煤焦資源拓展

以低硅高氧化錳含結(jié)晶水鐵粉礦資源燒結(jié)成的低硅高氧化錳超高堿度燒結(jié)礦、天然低硅高氧化錳含結(jié)晶水塊礦+本地酸性氧化性球團(tuán)礦+省內(nèi)及附近焦煤為原燃料結(jié)構(gòu)也成為該鋼企高爐的冶煉特色之一。其特點(diǎn)是：含較高結(jié)晶水，燒結(jié)成的燒結(jié)礦易成薄壁大孔結(jié)構(gòu)，易破碎產(chǎn)生粉末，強(qiáng)度較低。此類天然塊礦直接入爐也會(huì)因?yàn)榻Y(jié)晶水在爐內(nèi)分解揮發(fā)造成對(duì)高爐透氣性的影響，一度成為限制高爐大比例使用該類鐵礦石資源的瓶頸。低硅高氧化錳含結(jié)晶水鐵粉礦燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)步[10]，解決了困擾其燒成燒結(jié)礦物理性能、冶金性能（低溫、高溫） 指標(biāo)的諸多矛盾。結(jié)合采取以提升焦炭熱態(tài)性能指標(biāo)為支撐，提高風(fēng)溫富氧等技術(shù)措施將高爐軟熔帶集中于高爐下部，發(fā)揮出該類燒結(jié)礦、塊礦還原度高的特點(diǎn)，建立新的ω（[Si]）、ω（[S]）、鐵水物理熱匹配關(guān)系，長(zhǎng)期穩(wěn)定地使高爐冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、鐵水質(zhì)量得到顯著改善[7]。實(shí)現(xiàn)含結(jié)晶水高錳褐鐵礦應(yīng)用比例超過(guò)70%，極大地降低生鐵冶煉成本。大型高爐高強(qiáng)冶煉技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用方面，2019年一季度，2 500 m3高爐在入爐品位低于省外同類型高爐2.0～3.0個(gè)百分點(diǎn)條件下曾經(jīng)創(chuàng)造利用系數(shù)全國(guó)第一的奇跡；2021年5月份以來(lái)，利用系數(shù)穩(wěn)定在3.0 t/（m3·d）。此外，創(chuàng)造性提出兩性煤概念及有效應(yīng)用，效益顯著。

3.4 快速開(kāi)爐達(dá)產(chǎn)達(dá)效及精細(xì)化操作

建立了開(kāi)爐的標(biāo)準(zhǔn)化、定量化操作流程（圖2）。包括：布料溜槽功能測(cè)定。轉(zhuǎn)速/溜槽傾動(dòng)角度精度/方位角/定點(diǎn)布料測(cè)試/扇形布料功能/最大料流量（焦炭）/中心加焦角度等；不同批重下的多環(huán)布料（焦炭、礦石）的常用矩陣應(yīng)用自學(xué)習(xí)模式測(cè)試；測(cè)定礦焦料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與料流量的關(guān)系測(cè)定；高爐布料環(huán)數(shù)—下料時(shí)間—料流閥開(kāi)度關(guān)系實(shí)測(cè)；高爐布料（礦焦） 料流軌跡實(shí)測(cè)；一定矩陣下不同料線料面形狀、厚度測(cè)定；高爐裝料實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列表（以開(kāi)爐配料輸出入爐料排序表為基礎(chǔ)）；利用高爐裝料實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列表回歸料流閥開(kāi)度—礦焦料流量關(guān)系式；開(kāi)爐基礎(chǔ)矩陣及其補(bǔ)償檔位（角度） 的確定[11]。

圖1 我國(guó)鋼鐵發(fā)展歷程Fig.1 The development history of iron and steel industry in China

圖2 煉鐵高爐開(kāi)爐的標(biāo)準(zhǔn)化流程Fig.2 The standard flow of blowing-on of ironmaking furnace

在上述計(jì)算和測(cè)定結(jié)論之上，還建立了包括基礎(chǔ)矩陣根據(jù)實(shí)測(cè)如料流半徑、碰點(diǎn)、形成的料面形狀及厚度等內(nèi)容的分析驗(yàn)證，以及生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用機(jī)理分析及效果分評(píng)價(jià)方法等。以避開(kāi)爐料碰點(diǎn)、開(kāi)爐適當(dāng)發(fā)展中心及邊緣、兼顧連續(xù)檔位形成焦炭、礦石平臺(tái)為原則，容易得出布料矩陣為基本矩陣，并實(shí)現(xiàn)從人工測(cè)量到自動(dòng)測(cè)量（圖 3）[12]。

圖3 利用激光網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量Fig.3 Automatic measurement realized by laser grid

3.5 爐體爐型維護(hù)

鋅是與含鐵原料共存的元素，云南本地及周邊區(qū)域原料具有很高的有害元素含量。Zn在高爐內(nèi)高于1 000℃的區(qū)域被CO還原為氣態(tài)，Zn蒸汽在爐內(nèi)循環(huán)沉積形成低熔點(diǎn)化合物。對(duì)采用冷卻板結(jié)構(gòu)方式高爐，使黏結(jié)物粘附嚴(yán)重；對(duì)采用冷卻壁方式的高爐，使?fàn)t內(nèi)黏結(jié)物頻繁脫落，風(fēng)口破損嚴(yán)重。其原理為：爐內(nèi)的鋅蒸汽會(huì)順著K、Na堿金屬打開(kāi)的內(nèi)襯侵蝕通道下到風(fēng)口區(qū)冷凝成液體并大量進(jìn)入到風(fēng)口組合磚，造成棕剛玉磚的膨脹，使磚體組織結(jié)構(gòu)由致密轉(zhuǎn)為疏松，然后逐步形成斑狀→條紋狀→溝槽狀→礦脈狀→腫瘤狀的侵蝕通道，使風(fēng)口組合磚膨脹或破損，在K、Na、Zn、Pb的綜合侵蝕和疊加效應(yīng)下造成風(fēng)口二套大量上翹[8]。高爐爐體爐型管理的技術(shù)內(nèi)容包括：有害元素爐內(nèi)行為研究、日常負(fù)荷的跟蹤；有害元素的收支平衡管理（包括排除效率的量化界定、定量化控制目標(biāo)）；高爐（全爐、局部） 熱流強(qiáng)度的控制要點(diǎn)、跟蹤內(nèi)容；風(fēng)口工作角度的量化測(cè)量技術(shù)。即，包括：有害元素平衡；合理冷卻制度的選擇；合理熱流強(qiáng)度的控制；爐體爐型的監(jiān)控與矯正等技術(shù)及管理措施。

3.6 量化精細(xì)化操作

一定生產(chǎn)條件下的量化精細(xì)化技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是將高爐日常冶煉生產(chǎn)過(guò)程中涉及數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容進(jìn)行定量化描述、界定。在實(shí)踐中還包括如爐渣中某一特定成分的控制、理論料批的控制、相對(duì)置換比、除塵灰含碳量、爐頂煤氣成分、槽下篩分的量化控制也應(yīng)屬于高爐日常量化精細(xì)化操作的范疇。

1）相關(guān)參數(shù)和諧協(xié)調(diào)發(fā)展的量化特點(diǎn)。包括重要相關(guān)冶煉參數(shù)相互關(guān)系論證及其實(shí)現(xiàn)途徑。參數(shù)包括風(fēng)量、風(fēng)速、動(dòng)能、理論燃燒溫度、氣流分布（中心發(fā)展指數(shù)、邊緣發(fā)展指數(shù)、爐腹煤氣量）、透氣性阻力系數(shù)等的研究。具體主要為：高爐適宜綜合冶煉強(qiáng)度的研究和選擇、控制適宜噴吹煤比、煤氣流分布合理與改善指標(biāo)的技術(shù)措施[13]；

2）日常操作量化精細(xì)化操作技術(shù)。目的是獲得低而穩(wěn)定的ω（[Si]），并且范圍越窄越好。操作量化精細(xì)化技術(shù)是依據(jù)煉鐵基礎(chǔ)理論及相關(guān)工藝計(jì)算方法，使在冶煉過(guò)程在一些條件發(fā)生變化規(guī)程中維持相對(duì)的 [Si]及金屬元素還原數(shù)量（率）進(jìn)行精確調(diào)劑的方法；

3）日常操作量化精細(xì)化操作技術(shù)。操作核心點(diǎn)在于：研究完善基于理論計(jì)算的原燃料、生產(chǎn)操作參數(shù)等對(duì)冶煉技術(shù)指標(biāo)的影響，將影響ω（[Si]）的若干因素進(jìn)行分等級(jí)量化，根據(jù)影響因素的變化在其反應(yīng)周期后，借用直接、間接觀察進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)際效果的比較和校核，綜合原料、設(shè)備、內(nèi)外部及臨時(shí)事件等結(jié)合操作參數(shù)、調(diào)劑過(guò)程價(jià)進(jìn)行系統(tǒng)分析，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。高爐操作參數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一問(wèn)題。

4 生產(chǎn)基地近年冶煉案例

近年來(lái)，1 080 m3高爐堅(jiān)持量化精細(xì)化操作，操作技術(shù)水平持續(xù)提升，在外圍客觀條件變化不大條件下，取得了良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：燃料比呈現(xiàn)持續(xù)降低、利用系數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)提升態(tài)勢(shì)；風(fēng)壓、風(fēng)量、富氧率及頂壓等主要直接強(qiáng)化冶煉參數(shù)持續(xù)提升，并且與風(fēng)速、透氣性指數(shù)等關(guān)聯(lián)冶煉參數(shù)形成良好匹配關(guān)系，達(dá)到現(xiàn)階段條件下各個(gè)直接冶煉參數(shù)、衍生重要關(guān)聯(lián)參數(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展；形成了化學(xué)成分合理、具有良好穩(wěn)定性、流動(dòng)性、脫硫能力的爐渣；熱制度控制方面，實(shí)現(xiàn)了低硅—高物理熱的新型匹配關(guān)系，ω（[Si]）控制年平均水平達(dá)到0.215%，并且，бω([Si])值長(zhǎng)期穩(wěn)定在0.09～0.12范圍內(nèi)；依據(jù)精準(zhǔn)開(kāi)爐技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)爐5 d達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)達(dá)效的新水平（圖4～圖6，2019年1月高爐年檢及開(kāi)爐）[14]。

圖4 某高爐冶煉參數(shù)及指標(biāo)（含停爐開(kāi)爐）發(fā)展趨勢(shì)Fig.4 Development trend of smelting parameters and indicators(including stop and open furnace data)of one blast furnace

圖5 某高爐爐渣成分（含停爐開(kāi)爐）發(fā)展趨勢(shì)Fig.5 Development trend of slag composition (including stop and open furnace data)of one blast furnace

圖6 某高爐生鐵成分（含停爐開(kāi)爐）發(fā)展趨勢(shì)Fig.6 Development trend of pig iron composition (including stop and open furnace data)of one blast furnace

同樣地，在外圍客觀原燃料條件（鐵礦石品位、煤焦灰分） 改善不大情況下，高爐整體上（四座高爐）呈現(xiàn)出冶煉參數(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐年提升的態(tài)勢(shì)，獲得了良好的提產(chǎn)降耗、持續(xù)降低成本的冶煉效果（圖7～圖9）。

圖7 高爐近年產(chǎn)量趨勢(shì)Fig.7 The yield trends of blast furnace in recent years

圖8 高爐近年主要操作參數(shù)趨勢(shì)Fig.8 Main operation parameters trend of blast furnace in recent years

圖9 高爐近年主要指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)Fig.9 Main indicators development trend of blast furnace in recent years

5 目前開(kāi)展的主要信息化項(xiàng)目研究、建設(shè)及未來(lái)展望

5.1 信息化建設(shè)、信息化平臺(tái)的搭建

鋼鐵企業(yè)以移動(dòng)化、平臺(tái)化、知識(shí)化為基礎(chǔ)構(gòu)建應(yīng)用體系，推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化管理模式向智能化組織演進(jìn)（圖10）：率先建立了企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模型化分析決策、過(guò)程量化管理、成本和質(zhì)量動(dòng)態(tài)跟蹤及從原材料到產(chǎn)成品的一體化協(xié)同優(yōu)化；采用先進(jìn)控制系統(tǒng)，關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)基于模型的先進(jìn)控制和在線優(yōu)化；建立數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原料、關(guān)鍵工藝和成品檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和集成利用；建立能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源管理從經(jīng)驗(yàn)型到分析型調(diào)度職能的轉(zhuǎn)變；初步實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP） 之間的信息互聯(lián)互通[15]。

圖10 鋼鐵企業(yè)信息化、智能化發(fā)展趨勢(shì)Fig.10 Tendency of information and intelligence development of iron and steel enterprise

5.2 鐵前系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)字化項(xiàng)目開(kāi)展

1）數(shù)字化無(wú)人智慧料場(chǎng)。利用三維激光掃描儀、定位定姿系統(tǒng)、圖像處理服務(wù)器完成三維逆向“實(shí)景復(fù)制”及三維云圖數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)料場(chǎng)的矢量化建模、數(shù)字化控制；采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)智能控制、智能通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵式精確控制堆取料作業(yè)；防斷料智能設(shè)計(jì)結(jié)合具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干基配料程序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性干基配料作業(yè)；建立設(shè)備故障專家?guī)?，首次?shí)現(xiàn)設(shè)備在線評(píng)價(jià)功能；

2）燒結(jié)智能控制。對(duì)配混、看火、供料進(jìn)行智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)包含固定碳量化調(diào)配比、混合料返流、燒結(jié)機(jī)運(yùn)行、故障在線檢測(cè)等燒結(jié)智能控制內(nèi)容，在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燒結(jié)配料模型的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)判過(guò)程控制最優(yōu)參數(shù)、燒結(jié)礦理化性能；

3）高爐冶煉智能化發(fā)展。依據(jù)冶煉大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與機(jī)器自學(xué)習(xí)，突破一批高爐冶煉仿真、可視化等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)煉鐵大數(shù)據(jù)示范應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)冶煉技術(shù)從“經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)”到“數(shù)字生產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變，建設(shè)數(shù)字化高爐、模型化高爐、智慧高爐；形成相關(guān)鋼鐵智能制造技術(shù)研究成果與應(yīng)用示范，冶煉參數(shù)、指標(biāo)得到顯著改善（圖11～圖 12，表 1）[16]。

圖11 高爐布料仿真系統(tǒng)Fig.11 Simulation system of burden distribution of blast furnace

圖12 高爐熱平衡物料平衡系統(tǒng)研發(fā)Fig.12 Balance system development of heat balance and material balance of blast furnace

表1 某大型高爐指標(biāo)及冶煉參數(shù)變化趨勢(shì)Tab.1 Trend of indicators and smelting parameters of one large scale blast furnace

5.3 未來(lái)技術(shù)及應(yīng)用展望

以打造鋼鐵智造基地為目標(biāo)。達(dá)到：①實(shí)現(xiàn)“工藝上物流最佳，裝備上智能化程度最高，信息化程度最高，成本最低”；②建設(shè)覆蓋全流程的自動(dòng)化系統(tǒng)和工藝數(shù)學(xué)模型、專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制智能化；③建設(shè)全流程質(zhì)量數(shù)字化閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、處理；④建設(shè)全流程的MES系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)及運(yùn)輸管理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)訂單、計(jì)劃、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、銷售全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤和動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制；⑤在精度高、重復(fù)性高的崗位，使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效無(wú)人化操作；⑥實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智慧管理。

6 結(jié)語(yǔ)

1）進(jìn)入新世紀(jì)，國(guó)內(nèi)和云南省內(nèi)煉鐵工藝技術(shù)、裝備得到了長(zhǎng)足發(fā)展。煉鐵系統(tǒng)主要裝備的大型化、自動(dòng)化、操作標(biāo)準(zhǔn)化成為改善指標(biāo)、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)條件；

2）做好煉鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)是復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，云南區(qū)域的原燃料資源有其特點(diǎn)，規(guī)模化利用性價(jià)比較優(yōu)的本地及周邊資源成為降低云南省鋼鐵企業(yè)煉鐵冶煉成本的關(guān)鍵。多種資源利用及冶煉操作的獨(dú)具特色專有技術(shù)的研發(fā)和體系的建立，可以較好地做到因地制宜利用資源及實(shí)現(xiàn)冶煉參數(shù)和諧發(fā)展，持續(xù)改善高爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

3）信息化技術(shù)的高速發(fā)展，使實(shí)現(xiàn)煉鐵系統(tǒng)智能化生產(chǎn)成為可能，有效助推冶煉技術(shù)從“經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)”到“數(shù)字生產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變。搭建信息化、數(shù)字化平臺(tái)，大力實(shí)施鋼鐵智能制造技術(shù)成為推動(dòng)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的根本途徑。