炼铁新技术及基础理论研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良刘征建焦克新徐润生李克江王振阳王翠王耀祖张磊 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang.LIU Zheng-jian,JIAO Ke-xin,XU Run-sheng.LI Ke-jiang.WANG Zhen-yang.WANG Cui,WANG Yao-zu,ZHANG Lei 引用本文： 张建良，刘征建，焦克新，徐润生，李克江，王振阳，王翠，王耀祖，张磊.炼铁新技术及基础理论研究进展工程科学学报， 2021.43(12:1630-1646.doi:10.13374/1.issn2095-9389.2021.09.24.007 ZHANG Jian-liang,LIU Zheng-jian,JIAO Ke-xin,XU Run-sheng,LI Ke-jiang,WANG Zhen-yang.WANG Cui,WANG Yao-zu, ZHANG Lei.Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking[J].Chinese Journal of Engineering,2021, 43(12:1630-1646.doi:10.133745.issn2095-9389.2021.09.24.007 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.09.24.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报.2018,40(11)：1300htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.003 中国致密油藏开发理论研究进展 Research progress on tight oil exploration in China 工程科学学报.2019,41(9y:1103 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.09.001 中国页岩气开发理论与技术研究进展 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China 工程科学学报.2021,43(10：1397htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.10.003 脉动热管的理论研究与应用新进展 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe 工程科学学报.2019,41(9：外1115 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.09.002 锌的生物浸出技术现状及研究进展 Technology status and research progress of zinc bioleaching 工程科学学报.2020,42(6：693 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.24.001 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section 工程科学学报.2020,42(12：1542 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.08.001

炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良 刘征建 焦克新 徐润生 李克江 王振阳 王翠 王耀祖 张磊 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang, LIU Zheng-jian, JIAO Ke-xin, XU Run-sheng, LI Ke-jiang, WANG Zhen-yang, WANG Cui, WANG Yao-zu, ZHANG Lei 引用本文: 张建良, 刘征建, 焦克新, 徐润生, 李克江, 王振阳, 王翠, 王耀祖, 张磊. 炼铁新技术及基础理论研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1630-1646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007 ZHANG Jian-liang, LIU Zheng-jian, JIAO Ke-xin, XU Run-sheng, LI Ke-jiang, WANG Zhen-yang, WANG Cui, WANG Yao-zu, ZHANG Lei. Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1630-1646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报. 2018, 40(11): 1300 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.003 中国致密油藏开发理论研究进展 Research progress on tight oil exploration in China 工程科学学报. 2019, 41(9): 1103 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.001 中国页岩气开发理论与技术研究进展 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China 工程科学学报. 2021, 43(10): 1397 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003 脉动热管的理论研究与应用新进展 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe 工程科学学报. 2019, 41(9): 1115 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.002 锌的生物浸出技术现状及研究进展 Technology status and research progress of zinc bioleaching 工程科学学报. 2020, 42(6): 693 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.24.001 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section 工程科学学报. 2020, 42(12): 1542 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001

工程科学学报.第43卷.第12期：1630-1646.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1630-1646,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007;http://cje.ustb.edu.cn 炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良2)，刘征建”，焦克新，3)，徐润生)，李克江)，王振阳，王翠)， 王耀祖，张磊3) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1000833)北京科技大学大 安全科学研究院，北京1000834)北京科技大学人工智能研究院，北京100083 通信作者，E-mail:jl.zhang@ustb.edu.cn 摘要从炼铁新技术及基础理论研究方面介绍了烧结球团提质降耗新技术、焦炭在高炉内行为解析研究、高炉喷吹清洁 燃料技术、高炉长寿技术、高炉炼铁数据建模技术以及治金尘泥再处理技术，从基础研究出发，提出了目前最具有潜力的炼 铁新技术：然后在国家碳中和战略的大背景下，综述了目前国际上的非高炉炼铁技术研究进展，为我国低碳炼铁发展提供依 据：最后从最新微观研究手段出发，介绍了目前炼铁研究领域在微观尺度的研究进展，多尺度综合调控研究高炉炼铁过程机 理，为未来低碳炼铁发展方向提供思路 关键词炼铁新技术：低碳炼铁：非高炉炼铁：模拟仿真：节能降耗 分类号TG142.71 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang2,LIU Zheng-jian,JIAO Ke-xin),XU Run-sheng?,LI Ke-jiang,WANG Zhen-yang WANG CuP,WANG Yao-u,ZHANG Lep) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Research Institute of Macro-Safety Science,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 4)Institute of Artificial Intelligence,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jl.zhang @ustb.edu.cn ABSTRACT The Chinese government made a statement at the 75th United Nations General Assembly in 2020 to increase the country's nationally determined contributions,adopt more effective policies and measures,strive to reach the peak of carbon dioxide emissions by 2030 and achieve carbon neutrality by 2060.In recent years,with the rapid development of the iron and steel industry,the iron and steel industry has been promoted by various measures such as large-scale equipment,high-efficiency energy utilization,and reduction of pollutant emissions.Moreover,this industry has gradually made efforts to achieve low-carbon emissions.However,due to the particularity of the steel industry's process system,the steel industry is still the main battlefield in China's carbon emission reduction. The ironmaking process accounts for the largest proportion of energy consumption and emissions in the entire process of iron and steel smelting.Annual CO2 emissions of the iron and steel industry account for 6.7%of total global emissions,of which the energy consumption and emissions of the ironmaking system account for the total energy consumption of the entire iron and steel process, facing the important challenge of saving energy and emission reduction.To adapt to the trend and realize the transformation and upgrading of the ironmaking industry,various processes of the ironmaking industry have made great efforts in reform and innovation in 收稿日期：2021-09-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1260202.41603007.51774032,51804025,51974019)

炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良1,2) 苣，刘征建1)，焦克新1,3)，徐润生2)，李克江1)，王振阳1)，王    翠2)， 王耀祖4)，张    磊3) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083    3) 北京科技大学大 安全科学研究院，北京 100083    4) 北京科技大学人工智能研究院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: jl.zhang@ustb.edu.cn 摘    要    从炼铁新技术及基础理论研究方面介绍了烧结球团提质降耗新技术、焦炭在高炉内行为解析研究、高炉喷吹清洁 燃料技术、高炉长寿技术、高炉炼铁数据建模技术以及冶金尘泥再处理技术. 从基础研究出发，提出了目前最具有潜力的炼 铁新技术；然后在国家碳中和战略的大背景下，综述了目前国际上的非高炉炼铁技术研究进展，为我国低碳炼铁发展提供依 据；最后从最新微观研究手段出发，介绍了目前炼铁研究领域在微观尺度的研究进展，多尺度综合调控研究高炉炼铁过程机 理，为未来低碳炼铁发展方向提供思路. 关键词    炼铁新技术；低碳炼铁；非高炉炼铁；模拟仿真；节能降耗 分类号    TG142.71 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang1,2) 苣 ，LIU Zheng-jian1) ，JIAO Ke-xin1,3) ，XU Run-sheng2) ，LI Ke-jiang1) ，WANG Zhen-yang1) ， WANG Cui2) ，WANG Yao-zu4) ，ZHANG Lei3) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Research Institute of Macro-Safety Science, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 4) Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: jl.zhang@ustb.edu.cn ABSTRACT    The Chinese government made a statement at the 75th United Nations General Assembly in 2020 to increase the country’s nationally determined contributions, adopt more effective policies and measures, strive to reach the peak of carbon dioxide emissions by 2030 and achieve carbon neutrality by 2060. In recent years, with the rapid development of the iron and steel industry, the iron and steel industry  has  been  promoted  by  various  measures  such  as  large-scale  equipment,  high-efficiency  energy  utilization,  and  reduction  of pollutant  emissions.  Moreover,  this  industry  has  gradually  made  efforts  to  achieve  low-carbon  emissions.  However,  due  to  the particularity of the steel industry’s process system, the steel industry is still the main battlefield in China’s carbon emission reduction. The ironmaking process accounts for the largest proportion of energy consumption and emissions in the entire process of iron and steel smelting.  Annual  CO2 emissions  of  the  iron  and  steel  industry  account  for  6.7% of  total  global  emissions,  of  which  the  energy consumption  and  emissions  of  the  ironmaking  system  account  for  the  total  energy  consumption  of  the  entire  iron  and  steel  process, facing  the  important  challenge  of  saving  energy  and  emission  reduction.  To  adapt  to  the  trend  and  realize  the  transformation  and upgrading of the ironmaking industry, various processes of the ironmaking industry have made great efforts in reform and innovation in 收稿日期: 2021−09−24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1260202，41603007，51774032，51804025，51974019） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1630−1646，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1630−1646, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007; http://cje.ustb.edu.cn

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1631 recent years.This article introduces the new technology of sintering pellet quality improvement and consumption reduction from the aspects of new ironmaking technology and basic theoretical research,analysis of coke behavior in the blast furnace,blast furnace clean fuel injection technology,blast furnace longevity technology,blast furnace ironmaking data modeling technology,and metallurgical dust and mud reprocessing technology.Starting from basic research,the new ironmaking technology with the most potential is proposed. Then,under the general background of the current national carbon neutral strategy,the current international non-blast furnace ironmaking technology research progress is reviewed to provide a basis for the development of low-carbon ironmaking in China.Finally, starting from the latest micro-research methods,it introduces the current research progress in the field of ironmaking in the micro-scale, multi-scale comprehensive regulation and control of the mechanism of the blast furnace ironmaking process,and provides ideas for the future development of low-carbon ironmaking. KEY WORDS new ironmaking technology;low-carbon ironmaking;non-blast furnace ironmaking;simulation;energy-saving and cost-reducing 在十四五规划的元年，“双碳”目标、环保问 我国钢铁工业节能减排的有力措施.当前，国内外 题、科技创新将在各行各业逐步落地并由政策付 烧结机的料层厚度普遍处于700~900mm水平， 诸于实际行动.钢铁行业作为高能耗、高排放的 少数企业实现900m料层生产，但始终未能突破 重工业，仍然是蓝天保卫战的主战场.现如今资源 1000mm超厚料层烧结的瓶颈.经分析，超厚料层 紧张，环境污染日益严重，工艺技术创新进展艰 烧结的限制性因素主要有两点：一是料层厚度持 难，钢铁产业发展面临着重要变革，各类问题将倒 续升高后的高负荷对料层透气性的限制倒：二是久 逼钢铁企业发展低碳技术，未来钢铁工业可以通 高不下的漏风率对料层风量的限制 过潜在的低碳等多种工艺技术来降低CO2排放或 基于此，北京科技大学炼铁新技术梯队从烧 者解决当前发展存在的问题.在全球“脱碳”以及 结理论层面出发，着眼于工艺全流程，以天钢联合 工艺技术创新大潮的背景下，以降低碳排放和致 特钢的两台230m烧结机为实践样本展开了 力工艺创新为中心的传统钢铁怡金工艺技术变 1000mm超厚料层烧结技术的研发.针对透气性， 革，已成为钢铁行业绿色发展的新趋势.我国实现 提出从新型强化制粒、抑制过湿层、促进燃料燃 钢铁工艺的进步，归根结底需要依靠科技进步.传 烧三个层面进行工艺技术设计与开发：针对漏风 统高炉炼铁工艺和非高炉炼铁工艺正在高速发展 率，设计了滑道密封、栏板加固和细节治理等工艺 中，传统高炉炼铁从原燃料和高炉设备出发，历经 及手段.同时，基于提出的料层热量峰、火焰峰和 还原过程，最后处理炼铁副产物，这中间环节均可 液相冷凝峰的“三同步”理论，确立了活性生石灰 进行相应的技术创新，进而实现高炉炼铁的工艺 为超厚料层技术开发的核心载体最终，形成了 创新：非高炉炼铁工艺主要是熔融还原工艺和直 如图1(a)所示的综合性的超厚料层烧结技术体系 接还原工艺，两种工艺都旨在减少焦炭的使用，长 和针对性的全活性石灰强化烧结技术阿在230m2 远计划实现“双碳”目标.需要强调的是，无论是传 烧结机上实现了长期高效、稳定、低耗的烧结生 统高炉炼铁工艺还是非高炉炼铁工艺，其本质的 产.烧结机利用系数达到1.87tm2h,固体燃耗 还原反应是相同的，因此，其中涉及的科学问题是 仅为41.85kgt,烧结电耗降至27kWht,漏风 相同的，立足科学问题的解释和解决，可极大的为 率降至34%，各项指标均位于行业前沿.在此基础 工艺生产提供思路.科学问题与工程问题的结合， 上，1000mm的厚料层下维持了烧结矿纵向上的 将为炼铁工艺提供良好的发展方向 性能和成分的质量均衡，烧结矿微观矿物相以铁 酸钙黏结相与铁氧化物晶粒的交织形式为主，烧 1烧结球团技术提质降耗技术 结矿各项质量指标（如图I(b)所示）满足高炉高效 1.1高效低耗1000mm超厚料层烧结技术 冶炼需求，其中包括还原粉化指数(Reduction 在我国，长流程的钢铁生产仍然占据主导地 degradation index,RDI),RDL6.3为还原后大于6.5mm 位，2020年铁钢比仍然维持在80%以上，铁矿石 的物料比例，RDL+3.1s为还原后大于3.15mm的物 烧结生产仍然主要负担着高炉含铁炉料供给川.烧 料比例，RDL-o.5为还原后小于0.5mm的物料比例. 结生产是钢铁流程中能耗最高、污染物排放量最 此外，固体燃耗与电耗的降低带来实质性的CO2、 多的工序之一回，因而发展厚料层烧结技术是实现 NOx、SO2的减排，在碳中和背景下意义卓著

recent years. This article introduces the new technology of sintering pellet quality improvement and consumption reduction from the aspects of new ironmaking technology and basic theoretical research, analysis of coke behavior in the blast furnace, blast furnace clean fuel injection technology, blast furnace longevity technology, blast furnace ironmaking data modeling technology, and metallurgical dust and  mud  reprocessing  technology.  Starting  from  basic  research,  the  new  ironmaking  technology  with  the  most  potential  is  proposed. Then,  under  the  general  background  of  the  current  national  carbon  neutral  strategy,  the  current  international  non-blast  furnace ironmaking technology research progress is reviewed to provide a basis for the development of low-carbon ironmaking in China. Finally, starting from the latest micro-research methods, it introduces the current research progress in the field of ironmaking in the micro-scale, multi-scale comprehensive regulation and control of the mechanism of the blast furnace ironmaking process, and provides ideas for the future development of low-carbon ironmaking. KEY  WORDS    new  ironmaking  technology； low-carbon  ironmaking； non-blast  furnace  ironmaking； simulation； energy-saving  and cost-reducing 在十四五规划的元年，“双碳”目标、环保问 题、科技创新将在各行各业逐步落地并由政策付 诸于实际行动. 钢铁行业作为高能耗、高排放的 重工业，仍然是蓝天保卫战的主战场. 现如今资源 紧张，环境污染日益严重，工艺技术创新进展艰 难，钢铁产业发展面临着重要变革，各类问题将倒 逼钢铁企业发展低碳技术. 未来钢铁工业可以通 过潜在的低碳等多种工艺技术来降低 CO2 排放或 者解决当前发展存在的问题. 在全球“脱碳”以及 工艺技术创新大潮的背景下，以降低碳排放和致 力工艺创新为中心的传统钢铁冶金工艺技术变 革，已成为钢铁行业绿色发展的新趋势. 我国实现 钢铁工艺的进步，归根结底需要依靠科技进步. 传 统高炉炼铁工艺和非高炉炼铁工艺正在高速发展 中，传统高炉炼铁从原燃料和高炉设备出发，历经 还原过程，最后处理炼铁副产物，这中间环节均可 进行相应的技术创新，进而实现高炉炼铁的工艺 创新；非高炉炼铁工艺主要是熔融还原工艺和直 接还原工艺，两种工艺都旨在减少焦炭的使用，长 远计划实现“双碳”目标. 需要强调的是，无论是传 统高炉炼铁工艺还是非高炉炼铁工艺，其本质的 还原反应是相同的，因此，其中涉及的科学问题是 相同的，立足科学问题的解释和解决，可极大的为 工艺生产提供思路. 科学问题与工程问题的结合， 将为炼铁工艺提供良好的发展方向. 1    烧结球团技术提质降耗技术 1.1    高效低耗 1000 mm 超厚料层烧结技术 在我国，长流程的钢铁生产仍然占据主导地 位 ，2020 年铁钢比仍然维持在 80% 以上，铁矿石 烧结生产仍然主要负担着高炉含铁炉料供给[1] . 烧 结生产是钢铁流程中能耗最高、污染物排放量最 多的工序之一[2] ，因而发展厚料层烧结技术是实现 我国钢铁工业节能减排的有力措施. 当前，国内外 烧结机的料层厚度普遍处于 700～900 mm 水平， 少数企业实现 900 mm 料层生产，但始终未能突破 1000 mm 超厚料层烧结的瓶颈. 经分析，超厚料层 烧结的限制性因素主要有两点：一是料层厚度持 续升高后的高负荷对料层透气性的限制[3] ；二是久 高不下的漏风率对料层风量的限制. 基于此，北京科技大学炼铁新技术梯队从烧 结理论层面出发，着眼于工艺全流程，以天钢联合 特钢的两 台 230  m2 烧结机为实践样本展开了 1000 mm 超厚料层烧结技术的研发. 针对透气性， 提出从新型强化制粒、抑制过湿层、促进燃料燃 烧三个层面进行工艺技术设计与开发；针对漏风 率，设计了滑道密封、栏板加固和细节治理等工艺 及手段. 同时，基于提出的料层热量峰、火焰峰和 液相冷凝峰的“三同步”理论，确立了活性生石灰 为超厚料层技术开发的核心载体[4] . 最终，形成了 如图 1（a）所示的综合性的超厚料层烧结技术体系 和针对性的全活性石灰强化烧结技术[5] . 在 230 m2 烧结机上实现了长期高效、稳定、低耗的烧结生 产. 烧结机利用系数达到 1.87 t·m−2·h−1，固体燃耗 仅为 41.85 kg·t−1，烧结电耗降至 27 kW·h·t−1，漏风 率降至 34%，各项指标均位于行业前沿. 在此基础 上 ，1000 mm 的厚料层下维持了烧结矿纵向上的 性能和成分的质量均衡，烧结矿微观矿物相以铁 酸钙黏结相与铁氧化物晶粒的交织形式为主，烧 结矿各项质量指标（如图 1（b）所示）满足高炉高效 冶炼需求 ，其中包括还原粉化指数 （ Reduction degradation index，RDI），RDI+6.3 为还原后大于6.5 mm 的物料比例，RDI+3.15 为还原后大于 3.15 mm 的物 料比例，RDI−0.5 为还原后小于 0.5 mm 的物料比例. 此外，固体燃耗与电耗的降低带来实质性的 CO2、 NOx、SO2 的减排，在碳中和背景下意义卓著. 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1631 ·

1632 工程科学学报.第43卷，第12期 (a) Particle size control of iron ore Reduce air leakage rate Improve air permeability Enhanced mixing Equipment improvements Triple sync theory Full active quicklime flux Side-sealed middle-passable High moisture content Efficient digestion of quicklime High material-temperature Full Active Lime Intensified Sintering (b) Strip calcium ferrite Kirschsteinite Strip calcium ferrite Magnetite 100 80 74.2 87.17 70 78.24 50 49.1 60 40 0 2 20 7.5 01 RDI.63 RDL1s Tumbler index Reduction index Group Group 图1.(a)超厚料层烧结综合技术体系：(b)1000mm超厚料层条件下烧结矿的成分及冶金性能 Fig.1 (a)Comprehensive technology system for ultra-thick layer sintering;(b)composition and metallurgical performance of the sinter under a 1000 mm ultra-thick layer 1.2高品质功能性球团制备关键技术及脉石元素 基于此，炼铁新技术科研团队针对镁质球团、碱性 迁移评价体系 球团制备工艺进行了优化，通过解析多元矿物和 近几年随着国家钢铁行业低碳绿色发展的逐 熔剂条件下，球团内部“固相一液相-孔隙”的形成 步推进，高炉炉料结构中球团比例的不断升高，镁 演变机制，构建了“固相-液相-孔隙”多相协同作 质球团、碱性球团和含钛球团的成功应用，进一步 用下脉石元素迁移评价体系，为高品质功能性球 丰富完善球团制备基础理论6)，开发不同类别的 团的制备和应用奠定理论基础 高品质功能性球团，及构建脉石元素迁移评价体 采用分子动力学方法首次探究了赤铁矿在高 系成为当前炼铁原料工艺技术发展的新技术.在 温焙烧过程连晶的形成及演化机制，从分子角度 球团矿升温氧化焙烧过程，伴随着脉石矿物间或 揭示了连晶生长过程原子的运动迁移特征、晶型 脉石与铁氧化物间的复杂固相反应，碱性球团内 转变、连晶长大机制，.为进一步解释脉石元素的 部甚至存在低熔点液相与铁氧化物相间的固一液 运动迁移特征，应用镁质熔剂与铁矿粉制备扩散 相反应，对于Mg0、SiO2、AlO3、CaO、TiO2等脉 偶，将制备好的扩散偶在卧式管式炉中进行焙烧， 石氧化物对球团氧化及焙烧固结的影响机制，之 使用SEM对反应后试样微观形貌进行观察，构建 前的研究8-多从宏观性能角度或矿物角度进行 脉石元素迁移扩散评价体系山在氧化焙烧过程

Reduce air leakage rate Particle size control of iron ore Improve air permeability Enhanced mixing Full active quicklime flux Efficient digestion of quicklime Full Active Lime Intensified Sintering Triple sync theory High moisture content High material-temperature Equipment improvements Side-sealed middle-passable (a) (b) Strip calcium ferrite Strip calcium ferrite Kirschsteinite Magnetite 80 60 40 20 100 0 78.24 87.17 Group Tumbler index Reduction index 80 70 60 50 40 30 20 10 0 RDI+6.3 RDI/ % Percentage/ % RDI+3.15 49.1 74.2 7.5 Group RDI−0.5 图 1    （a）超厚料层烧结综合技术体系；（b）1000 mm 超厚料层条件下烧结矿的成分及冶金性能 Fig.1    (a) Comprehensive technology system for ultra-thick layer sintering; (b) composition and metallurgical performance of the sinter under a 1000 mm ultra-thick layer 1.2    高品质功能性球团制备关键技术及脉石元素 迁移评价体系 近几年随着国家钢铁行业低碳绿色发展的逐 步推进，高炉炉料结构中球团比例的不断升高，镁 质球团、碱性球团和含钛球团的成功应用，进一步 丰富完善球团制备基础理论[6−7] ，开发不同类别的 高品质功能性球团，及构建脉石元素迁移评价体 系成为当前炼铁原料工艺技术发展的新技术. 在 球团矿升温氧化焙烧过程，伴随着脉石矿物间或 脉石与铁氧化物间的复杂固相反应，碱性球团内 部甚至存在低熔点液相与铁氧化物相间的固−液 相反应，对于 MgO、SiO2、Al2O3、CaO、TiO2 等脉 石氧化物对球团氧化及焙烧固结的影响机制，之 前的研究[8−9] 多从宏观性能角度或矿物角度进行. 基于此，炼铁新技术科研团队针对镁质球团、碱性 球团制备工艺进行了优化，通过解析多元矿物和 熔剂条件下，球团内部“固相−液相−孔隙”的形成 演变机制，构建了“固相−液相−孔隙”多相协同作 用下脉石元素迁移评价体系，为高品质功能性球 团的制备和应用奠定理论基础. 采用分子动力学方法首次探究了赤铁矿在高 温焙烧过程连晶的形成及演化机制，从分子角度 揭示了连晶生长过程原子的运动迁移特征、晶型 转变、连晶长大机制[10] . 为进一步解释脉石元素的 运动迁移特征，应用镁质熔剂与铁矿粉制备扩散 偶，将制备好的扩散偶在卧式管式炉中进行焙烧， 使用 SEM 对反应后试样微观形貌进行观察，构建 脉石元素迁移扩散评价体系[11] . 在氧化焙烧过程 · 1632 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1633 中，氧化镁粉可以与铁矿粉发生反应，生成镁铁尖 持2倍以上的时间.新技术在FE钢铁公司的 晶石.并且，在添加有钙质熔剂下，界面间产生的 2台烧结机上得到应用，大大改善了高品质烧结矿 铁酸钙液相有助于Mg和Fe元素的扩散，提升其 的生产率 迁移能力，进而促进镁质添加剂的矿化) 2高炉内部焦炭多相反应行为解析 13富氢烧结研究进展 烧结与高炉工序的CO2排放量约占工业排放 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应均有着催化作 总量的60%)]，为大幅度减少烧结矿生产过程中 用，且催化效应对气化过程有一个极限，由于焦炭 CO2的排放量，JFE钢铁公司开发出向烧结机喷吹 中碳为非均匀乱序结构以及内生矿物的催化作 氢系气体燃料的超级烧结技术“Super-Sinter”,并 用，导致碱金属碳酸盐的催化极限较低.动力学研 成功的应用于生产4-例如，该技术已于2009年 究表明石墨碳和焦炭的气化反应均存在动力学补 1月在京滨第一烧结厂投入商业运行，并持续稳定 偿效应6被钾蒸气碱化后的焦炭组织受到严重 运行至今.结果，烧结过程的能源效率大大提高， 破坏，伴随着有碎屑和焦粉的产生，这表明钾蒸气 而且在京滨第一烧结厂已实现二氧化碳排放量最 对焦炭有很强的直接破坏作用，这种现象被称为 多减少约60000ta.2014年7月17日，JFE钢铁 “剥落效应”，而钠蒸气不具有这种直接破坏作用 公司宣布，在世界上首次成功开发出在烧结矿生 (如图2(a)所示).碱化产生的新生矿物相分别为 产过程中可根本性改善生产率的向烧结机复合喷 六方钾霞石或者钾铝硅酸盐(KA1SiO,)、钠铝硅酸 吹氧和氢系气体的超级烧结技术，并获得实用化. 盐(Na6AlSi,O7)1刃，并且钾钠均可以与碳基体产 在此次新技术的开发中，组合了向烧结机喷吹氧 生层间化合物导致碳基体体积膨胀.含钾矿物 的高氧富化作业和“Super-Sinter'”技术，可大幅度 和含钠矿物对焦炭气化反应的催化程度相近.由 改善焦粉和氢系气体的燃烧性，并通过控制燃烧 于钾蒸气的直接破坏作用比钠蒸气强很多，因此 位置，可比“Super--Sinter”技术在最佳烧结温度保 钾蒸气在高炉内对焦炭性能的破坏能力更大 B2 B3 22 B4 Sla fron 20 6 4 1 Original inte Original inte C-C B6 Slag flow from 6 4 2 1.02.03.04.05.06.07.0 riginal inter Original inte Mass ratio of potassium vapor to coke/% B6 I mm (a) (b) (c) 图2(a)碱化前(A1)后(A2)的焦炭样品及剥落的焦炭碎屑质量随着K含量的变化：(b)表征炉渣流过炉缸的焦炭内部气孔管道的SEM图：(c) 不同碳质基质溶解后的形貌 Fig.2 (a)Expansion behavior of minerals in the coke before(A1)and after(A2)being potash alkalization,(b)SEM image of the pore pipe inside the coke that characterizes the flow of slag through the hearth;(c)morphology of different carbonaceous substrates after dissolution 通过对风口焦炭和炉缸焦炭的分析，发现焦 织产生破坏.所有的炉缸焦炭样品，无论尺寸大 炭内的灰分在风口位置的高温区将会熔融并迁移 小，均已经被严重的石墨化.焦炭尺寸越小，其石 到焦炭表面，熔融灰分包裹焦炭表面会阻碍焦炭 墨化程度越高，这表明了焦炭在高温区的石墨化 与其他物相（气、固、液）的反应（如图2所示） 从表层开始，且石墨化的过程伴随焦粉的产生2o 炉腹渣中的FO的还原在焦-渣界面发生，反应生 产生的焦粉很容易与渣铁形成复杂混合物，这会 成的液态先在焦炭表面形成一个铁液层.焦一渣之 影响到高炉高温区的透气透液性.炉缸的多孔焦 间的反应将通过侵蚀反应作用对焦炭的结构和组 炭内部被发现充满了炉渣，而焦炭内部原始的灰

中，氧化镁粉可以与铁矿粉发生反应，生成镁铁尖 晶石. 并且，在添加有钙质熔剂下，界面间产生的 铁酸钙液相有助于 Mg 和 Fe 元素的扩散，提升其 迁移能力，进而促进镁质添加剂的矿化[12] . 1.3    富氢烧结研究进展 烧结与高炉工序的 CO2 排放量约占工业排放 总量的 60% [13] ，为大幅度减少烧结矿生产过程中 CO2 的排放量，JFE 钢铁公司开发出向烧结机喷吹 氢系气体燃料的超级烧结技术“Super-Sinter”，并 成功的应用于生产[14−15] . 例如，该技术已于 2009 年 1 月在京滨第一烧结厂投入商业运行，并持续稳定 运行至今. 结果，烧结过程的能源效率大大提高， 而且在京滨第一烧结厂已实现二氧化碳排放量最 多减少约 60000 t·a−1 . 2014 年 7 月 17 日，JFE 钢铁 公司宣布，在世界上首次成功开发出在烧结矿生 产过程中可根本性改善生产率的向烧结机复合喷 吹氧和氢系气体的超级烧结技术，并获得实用化. 在此次新技术的开发中，组合了向烧结机喷吹氧 的高氧富化作业和“Super-Sinter”技术，可大幅度 改善焦粉和氢系气体的燃烧性，并通过控制燃烧 位置，可比“Super-Sinter”技术在最佳烧结温度保 持 2 倍以上的时间. 新技术在 JFE 钢铁公司的 2 台烧结机上得到应用，大大改善了高品质烧结矿 的生产率. 2    高炉内部焦炭多相反应行为解析 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应均有着催化作 用，且催化效应对气化过程有一个极限，由于焦炭 中碳为非均匀乱序结构以及内生矿物的催化作 用，导致碱金属碳酸盐的催化极限较低. 动力学研 究表明石墨碳和焦炭的气化反应均存在动力学补 偿效应[16] . 被钾蒸气碱化后的焦炭组织受到严重 破坏，伴随着有碎屑和焦粉的产生，这表明钾蒸气 对焦炭有很强的直接破坏作用，这种现象被称为 “剥落效应”，而钠蒸气不具有这种直接破坏作用 （如图 2(a) 所示）. 碱化产生的新生矿物相分别为 六方钾霞石或者钾铝硅酸盐（KAlSiO4）、钠铝硅酸 盐（Na6Al4Si4O17） [17] ，并且钾钠均可以与碳基体产 生层间化合物导致碳基体体积膨胀[18] . 含钾矿物 和含钠矿物对焦炭气化反应的催化程度相近. 由 于钾蒸气的直接破坏作用比钠蒸气强很多，因此 钾蒸气在高炉内对焦炭性能的破坏能力更大. 20 22 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1.0 2.0 3.0 4.0 Mass ratio of potassium vapor to coke/% Mass fracton of peeling fragments/ % 5.0 6.0 7.0 A1 A2 B2 C1 C1 C2 C3 C4 C1 C2 Original interface Original interface Original interface Original interface C3 C4 Fe-C C C Resin Resin Resin Resin New interface New interface New interface New interface C C Fe-C Fe-C Fe-C C4 B2 B3 B3 B4 B4 B5 B6 B6 (a) (b) (c) B1 A3 500 μm 25 cm 25 cm 200 μm 200 μm 200 μm 20 μm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 20 μm 50 μm 50 μm Slag particles Spinel crystals Slag flow from another coke pore Slag flow from another coke pore 图 2    （a）碱化前（A1）后（A2）的焦炭样品及剥落的焦炭碎屑质量随着 K 含量的变化；（b）表征炉渣流过炉缸的焦炭内部气孔管道的 SEM 图；（c） 不同碳质基质溶解后的形貌 Fig.2    (a) Expansion behavior of minerals in the coke before (A1) and after (A2) being potash alkalization; (b) SEM image of the pore pipe inside the coke that characterizes the flow of slag through the hearth; (c) morphology of different carbonaceous substrates after dissolution 通过对风口焦炭和炉缸焦炭的分析，发现焦 炭内的灰分在风口位置的高温区将会熔融并迁移 到焦炭表面，熔融灰分包裹焦炭表面会阻碍焦炭 与其他物相（气、固、液）的反应 (如图 2 所示) [19] . 炉腹渣中的 FeO 的还原在焦−渣界面发生，反应生 成的液态先在焦炭表面形成一个铁液层. 焦−渣之 间的反应将通过侵蚀反应作用对焦炭的结构和组 织产生破坏. 所有的炉缸焦炭样品，无论尺寸大 小，均已经被严重的石墨化. 焦炭尺寸越小，其石 墨化程度越高，这表明了焦炭在高温区的石墨化 从表层开始，且石墨化的过程伴随焦粉的产生[20] . 产生的焦粉很容易与渣铁形成复杂混合物，这会 影响到高炉高温区的透气透液性. 炉缸的多孔焦 炭内部被发现充满了炉渣，而焦炭内部原始的灰 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1633 ·

1634 工程科学学报，第43卷，第12期 分已经完全融入炉渣中 发展间接还原，降低高炉焦比)通过基础研究和 借助静滴法和铁覆盖法对石墨向铁水中的溶 工业应用的结果都可以发现，高炉焦炉煤气等富 解行为进行了分析，碳向铁中的溶解在低温下就 氢燃料都可以达到节能降耗的效果，但是对于不 能够发生，甚至在铁为固体状态下也可发生（如 同高炉的使用应根据高炉的状态所决定 图2（©）所示).渗碳完成后，不同来源的碳在冷却 天然气的主要成分是CH4(90%以上)，且其中 时会以不同的形式析出.从石墨中溶解的碳会形 的烃类气体热值高，经转化后可得到以H2和CO 成尺寸较小的不规则的层片状结构.而这些小的 为主的还原性气体B3-训，可供铁矿石还原焙烧 石墨晶体会与溶液中原有的C聚集形成尺寸较大 高炉喷吹和铁矿石的直接还原等，是气体燃料中 的树枝状晶体].由于Fe-Fe键间的排斥力更大， 最受欢迎的一种.高炉直接喷吹天然气至炉内吸 铁原子向石墨碳中移动更加困难，而碳原子向铁 热裂解成还原气，为防止冷气入炉降温、天然气不 液中的移动却相对容易，最终在铁碳间形成了 完全燃烧等降低炉温的现象发生，需要高富氧率 Fe-C界面层.焦炭中气孔的存在能够增加冶金焦 和高风温等相应工艺条件.为提高炼铁高炉燃料 炭向铁水中的溶解能力，一方面，气孔的存在造成 利用率和热效率，降低后续炼钢炉外脱硫等工序 焦炭的不均匀溶解，并且为液态铁液提供了充足 成本，国外又开发了炉身喷吹高温还原气体工艺 的流动空间，增加了铁碳的接触面积；另一方面， 该工艺是将碳氢化合物燃料先在炉外分解，重整 铁碳界面处不再有矿物质的积累，界面矿物层对 制成高温(1000℃左右)、还原性强的气体，再从 焦炭溶解的抑制被焦炭中的气孔减弱2-2训 炉腰或炉身下部间接还原激烈反应区喷人高炉， 减少高温区的热支出，可以大幅度降低高炉燃料 3高炉清洁高效喷吹技术 消耗.国外炼铁高炉喷吹天然气(150m3t)高温 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业， 转换的还原气体，使焦比降到了300kgt以下，高 其主要依靠的煤炭资源分布极其不均匀，无烟煤 炉利用系数提高2.4以上. 和优质烟煤的储量仅占15%.国内众多钢铁企业 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大 不断扩大炼铁用煤炭资源范围，兰炭、低阶煤、焦 资源，具有可再生、碳中性的环保优势.综合考虑焦 炉煤气和生物质的喷吹应用价值被挖掘 炭、煤粉的成本及污染物排放，高炉喷吹生物质具 兰炭是低质煤经过中低温干馏的半焦，具有固 有巨大的前景由于生物质存在可磨性差、体积 定碳高、化学活性高、热值高、灰分低、硫低、磷低 密度小、能量密度低等缺陷，不宜直接利用，因 的特点2研究表明，兰炭可以用来替代优质的无 此，通常需进行转化处理.生物质经碳化后得到的 烟煤资源进行高炉喷吹，如将兰炭和烟煤混合喷吹. 生物质焦具有可磨性好，固定碳含量较高，N、S、 烟煤的燃烧性优于兰炭，在混合燃烧过程中可以促 P及灰分含量低，燃烧性和反应性良好等一系列优 进兰炭的燃烧.同时，兰炭低硫低氨的特点有助于 点，适合用作炼铁过程的发热剂和还原剂研究表 减少高炉入炉硫负荷、降低燃料比及铁水成本.国 明，煤中掺入松木焦后，混煤的活化能和指前因子均 内钢铁企业积极进行高炉喷吹兰炭粉工业试验，带 随混煤中松木焦比例的增加而降低，将松木焦惨入 来一定的经济效益和社会效益26-2刃我国低阶煤资 煤中后，混煤的活化能和指前因子均随松木焦的参 源储量丰富，但目前高炉炼铁喷吹用煤主要以无烟 入比例增加而降低，促进了煤粉的燃烧催化过程9 煤和优质烟煤为主2高比例低阶煤在高炉喷吹领 综合考虑，拓展高炉喷吹燃料资源范围，缓解 域的应用在不断探索.实验结果表明，低阶煤具有 我国高炉喷煤对优质无烟煤资源的依赖是目前炼 较高的燃烧性和反应性，有助于提高煤粉的燃烧率 铁工作者的紧迫任务.钢铁企业应结合自身的地 研究发现烟煤与无烟煤混合后能够有效的降低烟 理优势，在高炉喷吹资源拓展方面不断创新，充分 煤的爆炸性，综合考虑选择合适的混煤方案，能大 利用本地低阶煤资源、煤化工产品和生物质等资 大提高低阶煤在高炉喷吹中的应用价值29训 源进行冶炼，实现高炉清洁高效喷吹 焦炉煤气作为炼焦生产的副产品，其用于高 4长寿高炉新装备研发及评价 炉喷吹在国内外已开展很多富有成效的研究别 焦炉煤气作为富氢燃料，用于高炉喷吹可以提供 4.1高炉炉缸碳复合材料研发及性能 良好的还原剂，实现CO2减排，同时提高焦炉煤气 碳复合材料将碳组分合理引入氧化物材料， 利用价值.焦炉煤气喷吹可以明显降低直接还原， 同时保留制品内部的微孔结构，实现碳质和陶瓷

分已经完全融入炉渣中. 借助静滴法和铁覆盖法对石墨向铁水中的溶 解行为进行了分析，碳向铁中的溶解在低温下就 能够发生，甚至在铁为固体状态下也可发生（如 图 2(c) 所示）. 渗碳完成后，不同来源的碳在冷却 时会以不同的形式析出. 从石墨中溶解的碳会形 成尺寸较小的不规则的层片状结构. 而这些小的 石墨晶体会与溶液中原有的 C 聚集形成尺寸较大 的树枝状晶体[21] . 由于 Fe−Fe 键间的排斥力更大， 铁原子向石墨碳中移动更加困难，而碳原子向铁 液中的移动却相对容易 ，最终在铁碳间形成了 Fe−C 界面层. 焦炭中气孔的存在能够增加冶金焦 炭向铁水中的溶解能力，一方面，气孔的存在造成 焦炭的不均匀溶解，并且为液态铁液提供了充足 的流动空间，增加了铁碳的接触面积；另一方面， 铁碳界面处不再有矿物质的积累，界面矿物层对 焦炭溶解的抑制被焦炭中的气孔减弱[22−24] . 3    高炉清洁高效喷吹技术 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业， 其主要依靠的煤炭资源分布极其不均匀，无烟煤 和优质烟煤的储量仅占 15%. 国内众多钢铁企业 不断扩大炼铁用煤炭资源范围，兰炭、低阶煤、焦 炉煤气和生物质的喷吹应用价值被挖掘. 兰炭是低质煤经过中低温干馏的半焦，具有固 定碳高、化学活性高、热值高、灰分低、硫低、磷低 的特点[25] . 研究表明，兰炭可以用来替代优质的无 烟煤资源进行高炉喷吹，如将兰炭和烟煤混合喷吹. 烟煤的燃烧性优于兰炭，在混合燃烧过程中可以促 进兰炭的燃烧. 同时，兰炭低硫低氮的特点有助于 减少高炉入炉硫负荷、降低燃料比及铁水成本. 国 内钢铁企业积极进行高炉喷吹兰炭粉工业试验，带 来一定的经济效益和社会效益[26−27] . 我国低阶煤资 源储量丰富，但目前高炉炼铁喷吹用煤主要以无烟 煤和优质烟煤为主[28] . 高比例低阶煤在高炉喷吹领 域的应用在不断探索. 实验结果表明，低阶煤具有 较高的燃烧性和反应性，有助于提高煤粉的燃烧率. 研究发现烟煤与无烟煤混合后能够有效的降低烟 煤的爆炸性，综合考虑选择合适的混煤方案，能大 大提高低阶煤在高炉喷吹中的应用价值[29−30] . 焦炉煤气作为炼焦生产的副产品，其用于高 炉喷吹在国内外已开展很多富有成效的研究[31] . 焦炉煤气作为富氢燃料，用于高炉喷吹可以提供 良好的还原剂，实现 CO2 减排，同时提高焦炉煤气 利用价值. 焦炉煤气喷吹可以明显降低直接还原， 发展间接还原，降低高炉焦比[32] . 通过基础研究和 工业应用的结果都可以发现，高炉焦炉煤气等富 氢燃料都可以达到节能降耗的效果，但是对于不 同高炉的使用应根据高炉的状态所决定. 天然气的主要成分是 CH4（90% 以上），且其中 的烃类气体热值高，经转化后可得到以 H2 和 CO 为主的还原性气体[33−34] ，可供铁矿石还原焙烧[35]、 高炉喷吹和铁矿石的直接还原等，是气体燃料中 最受欢迎的一种. 高炉直接喷吹天然气至炉内吸 热裂解成还原气，为防止冷气入炉降温、天然气不 完全燃烧等降低炉温的现象发生，需要高富氧率 和高风温等相应工艺条件. 为提高炼铁高炉燃料 利用率和热效率，降低后续炼钢炉外脱硫等工序 成本，国外又开发了炉身喷吹高温还原气体工艺. 该工艺是将碳氢化合物燃料先在炉外分解，重整 制成高温（1000 ℃ 左右）、还原性强的气体，再从 炉腰或炉身下部间接还原激烈反应区喷入高炉， 减少高温区的热支出，可以大幅度降低高炉燃料 消耗. 国外炼铁高炉喷吹天然气（150 m3 ·t−1）高温 转换的还原气体，使焦比降到了 300 kg·t−1 以下，高 炉利用系数提高 2.4 以上. 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大 资源，具有可再生、碳中性的环保优势. 综合考虑焦 炭、煤粉的成本及污染物排放，高炉喷吹生物质具 有巨大的前景[36] . 由于生物质存在可磨性差、体积 密度小、能量密度低等缺陷[37] ，不宜直接利用，因 此，通常需进行转化处理. 生物质经碳化后得到的 生物质焦具有可磨性好，固定碳含量较高，N、S、 P 及灰分含量低，燃烧性和反应性良好等一系列优 点，适合用作炼铁过程的发热剂和还原剂[38] . 研究表 明，煤中掺入松木焦后，混煤的活化能和指前因子均 随混煤中松木焦比例的增加而降低，将松木焦掺入 煤中后，混煤的活化能和指前因子均随松木焦的掺 入比例增加而降低，促进了煤粉的燃烧催化过程[39] . 综合考虑，拓展高炉喷吹燃料资源范围，缓解 我国高炉喷煤对优质无烟煤资源的依赖是目前炼 铁工作者的紧迫任务. 钢铁企业应结合自身的地 理优势，在高炉喷吹资源拓展方面不断创新，充分 利用本地低阶煤资源、煤化工产品和生物质等资 源进行冶炼，实现高炉清洁高效喷吹. 4    长寿高炉新装备研发及评价 4.1    高炉炉缸碳复合材料研发及性能 碳复合材料将碳组分合理引入氧化物材料， 同时保留制品内部的微孔结构，实现碳质和陶瓷 · 1634 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1635 质材料的有机结合.碳复合材料既能发挥炭砖优 杂的服役环境0川碳复合材料制备过程中内部会 异的导热性能，同时兼备陶瓷杯良好的抗铁溶蚀、 发生原位反应产生BSC晶须，如图3所示，一方 抗渣及抗碱性能，因此能够很好适应高温多元复 面能填充材料气隙，提高材料致密度，另一方面， ater pipe Brick Solidified layer Graphite @Coating (a) Corundum Channel of hent transter 60 Briek Slag Brick Slag 600℃ Microporous carbon brick +(MgO) (M2o) 50 Wet air (MgO) (SiO. Brick Iron Wet air 40 (ALO)(Cao) Brick Slag (Mgo)(SiOz) Dry ai Slag 30 Iron SiO.ICl-CO+S Ar lron 20 Carbon composit Briek Iron Carbon composite brick 10 Brick Iron Time/h (d) ●● ● Porous graphi U-shape molybdenum silicide Ar 田gA Control ASCC mpurity elements ALSLK-O Al-Si-Na 1023K 1473K 1123K (e) 图3碳复合材料综合性能.(a)SiC品须：(b)碳复合材料导热机制：(c)碳复合材料渣铁侵蚀机理：()不同材料氧化侵蚀对比：(e)碳复合材料有 害元素侵蚀装置及机理 Fig.3 Comprehensive properties of the carbon composite material:(a)SiC whiskers;(b)thermal conduction mechanism of carbon composites materials; (c)slag-iron erosion mechanism of alumina-carbon composite brick;(d)oxidation erosion of different materials,(e)erosion device and mechanism of harmful elements in carbon composite materials

质材料的有机结合. 碳复合材料既能发挥炭砖优 异的导热性能，同时兼备陶瓷杯良好的抗铁溶蚀、 抗渣及抗碱性能，因此能够很好适应高温多元复 杂的服役环境[40−41] . 碳复合材料制备过程中内部会 发生原位反应产生 β-SiC 晶须，如图 3 所示，一方 面能填充材料气隙，提高材料致密度，另一方面， Ramming mass Ramming mass Coating Coating Graphite (a) Corundum (b) (d) SiC Channel of hent transfer Pipe Cooling water Microporous carbon brick Carbon composite brick Microporous corundum brick 600 ℃ Wet air 6 7 8 9 10 Time/h 0 1 2 3 4 5 Weight loss rate/% 0 10 20 30 40 50 60 Wet air Dry air Ar Carbon Corundum Carbon composite Cooling water Cooling water pipe Iron TA TA TW TW Brick Cooling stave Cooling stave Gap Gap Solidified layer 3 2 1 4 5 (Al2O3) (Al2O3) (MgO) (MgO) (MgO) (MgO)=MgAl2O4 (MgO) (CaO) (CaO) Slag Slag Iron Brick Iron Iron Iron Brick Brick Iron Brick Iron Brick Iron Brick Slag Slag Brick Brick Brick Slag (SiO2) (SiO2) (SiO2)+[C]=CO+[Si] (SiO2) [Si] [Si] [Si] CO [Si] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C] [C]=CO+[Si] (c) Air outlet Porous graphite gasket Brick 20×20×20 mm Mixture of pure reagent Brick 15×15×75 mm Graphite crucible Graphite crucible Flowmeter Thermocouple Ar ASCC Impurity elements 1473 K 1123 K 1023 K V Control A U-shape molybdenum silicide (e) 图 3    碳复合材料综合性能. （a）SiC 晶须；（b）碳复合材料导热机制；（c）碳复合材料渣铁侵蚀机理；（d）不同材料氧化侵蚀对比；（e）碳复合材料有 害元素侵蚀装置及机理 Fig.3    Comprehensive properties of the carbon composite material: (a) SiC whiskers; (b) thermal conduction mechanism of carbon composites materials; (c) slag-iron erosion mechanism of alumina-carbon composite brick; (d) oxidation erosion of different materials; (e) erosion device and mechanism of harmful elements in carbon composite materials. 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1635 ·

·1636 工程科学学报，第43卷，第12期 阝-SC具备较强的共价键和晶体结构，有效降低声 在合理范围内.铜板与钢板的结合程度决定了铜 子散射现象，保障材料导热性能.目前已针对碳复 钢复合冷却壁质量的合格性，如图4(d)~(f)所 合材料建立了包括抗铁水溶蚀、抗氧化性、抗有害 示例，铜与钢的结合界面呈现典型的正弦波形状， 元素侵蚀等在内的高炉用耐火材料综合评价体系 两者结合紧密.在过度层位置铜原子与钢原子分 在典型高炉渣铁侵蚀实验后发现，与炉渣接 布均匀，且由于爆炸焊接作用晶粒得到细化，约在 触界面形成以镁铝尖晶石和石墨碳等高熔点物质 5~20m之间.如图4(g)所示，对界面层的显微 为主的保护层，与铁水接触面形成以刚玉相为主 硬度测试表明，界面层位置显微硬度高于铜和钢 的氧化物层，有效的阻隔熔融渣铁的侵蚀，如 的显微硬度，能够满足冷却壁在高炉上的安全正 图3所示，其中TA表示耐火材料热面温度，Tw表 常使用 示冷却水温度，与单一材质耐火材料相比，具备良 5高炉炼铁数据建模 好的抗熔融渣铁侵蚀性能.在水蒸气及CO,等氧 化性气氛侵蚀下，碳复合材料中的SiC能氧化生 高炉内发生的复杂物理化学反应、高温、高 成致密SO2保护膜，从而减少氧化气氛下的损蚀 压、腐蚀性环境以及高炉结构的封闭性，加大了对 与传统炭质材料相比，碳复合材料能保证与炭质 掌握和控制高炉内部及铁水质量的难度.随着传 材料导热性能基本持平的情况下，抗氧化性能远 感器、探测器质量的增强、冶炼数据的长期积累、 优于炭质材料，如图3所示2-)在有害元素侵蚀 机器学习算法的逐步完善及计算机计算能力的不 情况下，致密的碳复合材料能有效的阻碍有害元 断提高，基于数据驱动的高炉冶炼模式正不断发 素的侵入，同时碳复合材料良好的导热性能促进 展，对于高炉冶炼参数的预测建模研究不断完善， 热面保护层的生成.碳复合材料导热性能受石 这促使高炉炼铁的自动化、智能化水平不断提 墨碳、Al2O3和B-SiC综合作用，最终表现为随温 高50例如，采用大数据分析的手段，基于高炉的 度升高而降低的趋势，符合高炉炉缸温度场温度 历史生产数据，以炉况稳定性为依据优选出部分 分布要求 布料矩阵，对基于上述矩阵条件的料层分布进行 4.2高炉炉体铜钢复合冷却器研发及表征 图形可视化和特征参量定量化，进一步对比分析 随着高炉向大型化、长寿化及高强度冶炼方 优化高炉的布料制度5.采用最近邻算法和主成 向的不断发展，对高炉高热负荷区域冷却器的安 分分析方法，结合实验数据和高炉治炼过程积累 全长寿提出了更高的要求.传统铸铁冷却壁结构 的数据，对高炉炉渣黏度进行预测建模，模型的预 强度高但导热系数低、铜冷却壁导热系数高但热 测效果如图5所示.所构建的模型在测试集上的 强度低，均难以适应大型高炉的长寿需求5.高 表现结果表明，该模型可以对高炉炉渣黏度实现 炉冷却器长寿已成为高炉长效冶炼及深化节能减 较好的预测：基于支持向量回归方法对高炉煤 排的限制性环节.为弥补铸铁冷却壁与铜冷却壁 气利用率和铁水温度进行预测建模，对铁水温度 的固有缺陷并发展其各自优势，研发了一种新型 和煤气利用率的预测效果分别如图5(a)和(d所 铜钢复合冷却壁 示，所构建的两种预测模型对高炉煤气利用率和 铜钢复合冷却壁主要采用爆炸焊接技术进行 铁水温度的预测准确率达到了较高的水准（图 制备，并在传统冷却壁的基础上在材质选择、制作 中的SVR为支持向量回归)：另外，神经网络和贝 工艺及结构设计上进行了优化，如图4(a)所示， 叶斯网络方法也被用于高炉铁水硅含量的预测， 铜钢复合冷却壁热面采用厚度为70mm的TU2无 结果表明，与神经网络等其他方法相比，贝叶斯网 氧铜，冷面采用厚度为20mm的Q345R不锈钢板 络更适合对高炉冶炼过程进行状态解析，贝叶斯 水通道贯穿钢板至铜板并采用焊接方式形成水通 网络透明的推理过程更对高炉操作者判断炉温变 道，冷却水直接与热面铜接触，能够很好地保证冷 化趋势具有指导意义 却水与铜的热交换能力48如图4(b)、(c)所示9， 基于数据驱动的高炉冶炼参数预测模型的开 在1200℃下铜钢复合冷却壁热面渣皮较铜冷却 发正逐渐助力传统的高炉操作由黑箱转为灰箱， 壁热面渣皮高出约2.2℃，壁体平均温度高出约 这为高炉炼铁的研究提供了区别于基于冶金机理 4.4℃，两者导热能力相差较小，而图4(c)显示在 建模和数字模拟仿真建模的另一模式.这些方法 厚度为Y=-0及Y=0.451m位置，铜钢复合冷却壁抗 将帮助高炉操作者及时调整高炉操作，防止高炉 变形能力约为铜冷却壁的1/2，且界面处等效应力 发生炉冷、炉热等一系列问题，从而提高冶炼质

β-SiC 具备较强的共价键和晶体结构，有效降低声 子散射现象，保障材料导热性能. 目前已针对碳复 合材料建立了包括抗铁水溶蚀、抗氧化性、抗有害 元素侵蚀等在内的高炉用耐火材料综合评价体系. 在典型高炉渣铁侵蚀实验后发现，与炉渣接 触界面形成以镁铝尖晶石和石墨碳等高熔点物质 为主的保护层，与铁水接触面形成以刚玉相为主 的氧化物层 ，有效的阻隔熔融渣铁的侵蚀 ，如 图 3 所示，其中 TA 表示耐火材料热面温度，TW 表 示冷却水温度，与单一材质耐火材料相比，具备良 好的抗熔融渣铁侵蚀性能. 在水蒸气及 CO2 等氧 化性气氛侵蚀下，碳复合材料中的 SiC 能氧化生 成致密 SiO2 保护膜，从而减少氧化气氛下的损蚀. 与传统炭质材料相比，碳复合材料能保证与炭质 材料导热性能基本持平的情况下，抗氧化性能远 优于炭质材料，如图 3 所示[42−43] . 在有害元素侵蚀 情况下，致密的碳复合材料能有效的阻碍有害元 素的侵入，同时碳复合材料良好的导热性能促进 热面保护层的生成[44] . 碳复合材料导热性能受石 墨碳、Al2O3 和 β-SiC 综合作用，最终表现为随温 度升高而降低的趋势，符合高炉炉缸温度场温度 分布要求. 4.2    高炉炉体铜钢复合冷却器研发及表征 随着高炉向大型化、长寿化及高强度冶炼方 向的不断发展，对高炉高热负荷区域冷却器的安 全长寿提出了更高的要求. 传统铸铁冷却壁结构 强度高但导热系数低、铜冷却壁导热系数高但热 强度低，均难以适应大型高炉的长寿需求[45−46] . 高 炉冷却器长寿已成为高炉长效冶炼及深化节能减 排的限制性环节. 为弥补铸铁冷却壁与铜冷却壁 的固有缺陷并发展其各自优势，研发了一种新型 铜钢复合冷却壁. 铜钢复合冷却壁主要采用爆炸焊接技术进行 制备，并在传统冷却壁的基础上在材质选择、制作 工艺及结构设计上进行了优化，如图 4（a）所示[47] ， 铜钢复合冷却壁热面采用厚度为 70 mm 的 TU2 无 氧铜，冷面采用厚度为 20 mm 的 Q345R 不锈钢板. 水通道贯穿钢板至铜板并采用焊接方式形成水通 道，冷却水直接与热面铜接触，能够很好地保证冷 却水与铜的热交换能力[48] . 如图 4（b）、（c）所示[49] ， 在 1200 ℃ 下铜钢复合冷却壁热面渣皮较铜冷却 壁热面渣皮高出约 2.2 ℃，壁体平均温度高出约 4.4 ℃，两者导热能力相差较小，而图 4（c）显示在 厚度为 Y=0 及 Y=0.451 m 位置，铜钢复合冷却壁抗 变形能力约为铜冷却壁的 1/2，且界面处等效应力 在合理范围内. 铜板与钢板的结合程度决定了铜 钢复合冷却壁质量的合格性，如图 4（d）～（f）所 示[49] ，铜与钢的结合界面呈现典型的正弦波形状， 两者结合紧密. 在过度层位置铜原子与钢原子分 布均匀，且由于爆炸焊接作用晶粒得到细化，约在 5～20 μm 之间. 如图 4（g）所示，对界面层的显微 硬度测试表明，界面层位置显微硬度高于铜和钢 的显微硬度，能够满足冷却壁在高炉上的安全正 常使用. 5    高炉炼铁数据建模 高炉内发生的复杂物理化学反应、高温、高 压、腐蚀性环境以及高炉结构的封闭性，加大了对 掌握和控制高炉内部及铁水质量的难度. 随着传 感器、探测器质量的增强、冶炼数据的长期积累、 机器学习算法的逐步完善及计算机计算能力的不 断提高，基于数据驱动的高炉冶炼模式正不断发 展，对于高炉冶炼参数的预测建模研究不断完善， 这促使高炉炼铁的自动化、智能化水平不断提 高[50] . 例如，采用大数据分析的手段，基于高炉的 历史生产数据，以炉况稳定性为依据优选出部分 布料矩阵，对基于上述矩阵条件的料层分布进行 图形可视化和特征参量定量化，进一步对比分析 优化高炉的布料制度[51] . 采用最近邻算法和主成 分分析方法，结合实验数据和高炉冶炼过程积累 的数据，对高炉炉渣黏度进行预测建模，模型的预 测效果如图 5 所示. 所构建的模型在测试集上的 表现结果表明，该模型可以对高炉炉渣黏度实现 较好的预测[52] ；基于支持向量回归方法对高炉煤 气利用率和铁水温度进行预测建模，对铁水温度 和煤气利用率的预测效果分别如图 5(a) 和 (d) 所 示. 所构建的两种预测模型对高炉煤气利用率和 铁水温度的预测准确率达到了较高的水准[53] （图 中的 SVR 为支持向量回归）；另外，神经网络和贝 叶斯网络方法也被用于高炉铁水硅含量的预测， 结果表明，与神经网络等其他方法相比，贝叶斯网 络更适合对高炉冶炼过程进行状态解析，贝叶斯 网络透明的推理过程更对高炉操作者判断炉温变 化趋势具有指导意义[54] . 基于数据驱动的高炉冶炼参数预测模型的开 发正逐渐助力传统的高炉操作由黑箱转为灰箱， 这为高炉炼铁的研究提供了区别于基于冶金机理 建模和数字模拟仿真建模的另一模式. 这些方法 将帮助高炉操作者及时调整高炉操作，防止高炉 发生炉冷、炉热等一系列问题，从而提高冶炼质 · 1636 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1637. (b) (c) 士m 0305×10 0.008 -Fe y 8274x10 9.8085x10 0.006 Cu-fe,=0.451m 9.3316x10 per stave Cu Fe stave 9.3493×10 0.004 8.872x10 88546x10 83932x10 8310 0.002 7.9151×10 7.9008x103 0 7.4370×10 7.4239x10 6.9590x10P 6.9470×102 6400x103 -0.004 101.s 2.0 2.5 0393×10 Coordinate Xm 4.38710 4.362310 4.906x10 4.085410 50 Interface of Cu-Fe 5.6125x0 .608Sx10 3.1345×10 3.1315x10 40 2.6564×10 26546×102 2183×10 21777x103 1003×1 7008x102 13310 12239x1心 20 .4412x10 .4693x10 26606x10 2.7000x10 Temperature/C Temperature/℃ 0 0.05 10 0.20 0.25 (d) Explosive welding direction (① Transition layer ·RD Vortex region Cu S00μm ⊙ on avet Fe 100 Fe Cu 80 3 S60 Fe Cu 70 Fe 20 00 0 20406080100120140160180 Distance/m -0020isa/m 200 400 图4铜钢复合冷却壁制造与表征4网.(a)铜钢复合冷却壁本体及水道焊接形式示意图；(b)铜冷却壁与铜钢复合冷却壁温度场分布对比：(c)铜 冷却壁与铜钢复合冷却壁相同厚度位置变形量：(d)Cu-Fe界面微观结构：(e)Cu-Fe界面元素分布：(f)Cu-Fe界面品粒大小：(g)Cu-Fe界面显微 硬度 Fig.4 Manufacture and characterization of the copper and steel composite cooling stave:(a)schematic diagram of copper and steel composite cooling stave body and channel welding form;(b)comparison of temperature field distribution between copper cooling stave and copper-steel composite cooling stave;(c)deformation of copper cooling stave and copper-steel composite cooling stave with the same thickness,(d)Cu-Fe interface microstructure;(e)Cu-Fe interface element distribution;(f)Cu-Fe interface grain size;(g)Cu-Fe interface microhardness 量.但值得注意的是，基于数据驱动和机器学习方 尘泥大量堆置，严重威胁生态环境，是制约我国钢 法所构建的部分模型，它们的构建依靠于历史治 铁工业绿色发展的关键共性问题 炼数据，无法从机理层次解释模型背后的逻辑，具 61钢铁冶金尘泥高效利用基础理论 有不可解释性，因而对于高炉生产参作者，这种模 钢铁冶炼流程长的特点使得冶金尘泥来源广 型与机理模型相比稍欠可信度 泛.不同工序的尘泥成分、性能差异巨大.因此研 究钢铁企业尘泥的特征工艺参数，对于选择合适 6冶金尘泥高效处理技术 的高效处理技术具有重要意义，Liu等阿充分研 钢铁治金尘泥是钢铁治炼的主要固废之一， 究了不同尘泥的有价元素含量、成型性、自还原 具有成分复杂、产量大、难处理等特点5)目前部 性、熔分性及磁性富集性等特征工艺参数.Lⅰ等5) 分企业将冶金尘泥循环用于高炉炼铁，但尘泥中 和Wanglss]等揭示了的富碳粉尘的气化反应机理. 有害元素严重影响高炉顺行，导致钢铁企业冶金 建立了冶金尘泥评价体系，为后续尘泥处理工艺

量. 但值得注意的是，基于数据驱动和机器学习方 法所构建的部分模型，它们的构建依靠于历史冶 炼数据，无法从机理层次解释模型背后的逻辑，具 有不可解释性，因而对于高炉生产参作者，这种模 型与机理模型相比稍欠可信度. 6    冶金尘泥高效处理技术 钢铁冶金尘泥是钢铁冶炼的主要固废之一， 具有成分复杂、产量大、难处理等特点[55] . 目前部 分企业将冶金尘泥循环用于高炉炼铁，但尘泥中 有害元素严重影响高炉顺行，导致钢铁企业冶金 尘泥大量堆置，严重威胁生态环境，是制约我国钢 铁工业绿色发展的关键共性问题. 6.1    钢铁冶金尘泥高效利用基础理论 钢铁冶炼流程长的特点使得冶金尘泥来源广 泛. 不同工序的尘泥成分、性能差异巨大. 因此研 究钢铁企业尘泥的特征工艺参数，对于选择合适 的高效处理技术具有重要意义. Liu 等[56] 充分研 究了不同尘泥的有价元素含量、成型性、自还原 性、熔分性及磁性富集性等特征工艺参数. Li 等[57] 和 Wang[58] 等揭示了的富碳粉尘的气化反应机理. 建立了冶金尘泥评价体系，为后续尘泥处理工艺 (a) (d) (e) (f) (g) (b) (c) 1.0784×103 1.0305×103 9.8274×102 9.3493×102 8.8712×102 7.9151×102 8.3932×102 7.4370×102 6.9590×102 6.4809×102 6.0028×102 5.5248×102 5.0467×102 4.5687×102 4.0906×102 3.6125×102 3.1345×102 2.6564×102 2.1783×102 1.7003×102 1.2222×102 7.4412×101 2.6606×101 Fe Fe 400 −400 400 300 200 −200 0 200 100 Microhardness (HV) Distance/m Distance/m Element content/% 2 mm 500 μm Y(TD) X(RD) Z(ND) Cu Cu Deformation of Cu Deformation of Cu Interface 1.0762×103 1.0 1.5 2.0 2.5 Coordinate X/m Equivalent stress/Pa 0 0.5 0.10 0.15 0.20 0.25 Coordinate Z/m 0.05 60 50 40 30 20 10 0 0 −0.004 −0.002 Deformation in Z direction/m 0.002 0.004 0.006 0.008 10 0 Copper stave Explosive welding direction Transition layer Transition layer Cu Cu Fe Fe Path 1 Path 2 Path 3 Vortex region Cu−Fe stave Interface of Cu−Fe 1.0285×103 9.8085×102 9.3316×102 8.8546×102 8.3777×102 7.9008×102 7.4239×102 6.4700×102 6.9470×102 5.9931×102 5.5162×102 5.0393×102 4.5623×102 4.0854×102 3.6085×102 3.1315×102 2.6546×102 2.1777×102 1.7008×102 1.2239×102 7.4693×101 2.7000×101 Temperature/℃ Temperature/℃ z y x Steel Cooling water Filler Copper Filler Steel Copper Brick Furnace shell Steel Cu−Cu, Y=0 m Cu, Y=0.451 m Cu−Fe, Y=0 m Cu−Fe, Y=0.451 m 500 μm 500 nm 500 nm 300 μm Fe 80 100 120 140 160 180 80 100 60 60 40 40 20 20 0 Transition layer Cu Fe Cu 图 4    铜钢复合冷却壁制造与表征[47-49] . （a）铜钢复合冷却壁本体及水道焊接形式示意图；（b）铜冷却壁与铜钢复合冷却壁温度场分布对比；（c）铜 冷却壁与铜钢复合冷却壁相同厚度位置变形量；（d）Cu-Fe 界面微观结构；（e）Cu-Fe 界面元素分布；（f）Cu-Fe 界面晶粒大小；（g）Cu-Fe 界面显微 硬度 Fig.4     Manufacture  and  characterization  of  the  copper  and  steel  composite  cooling  stave[47-49] :  (a)  schematic  diagram  of  copper  and  steel  composite cooling stave body and channel welding form; (b) comparison of temperature field distribution between copper cooling stave and copper-steel composite cooling  stave;  (c)  deformation  of  copper  cooling  stave  and  copper-steel  composite  cooling  stave  with  the  same  thickness;  (d)  Cu-Fe  interface microstructure; (e) Cu-Fe interface element distribution; (f) Cu-Fe interface grain size; (g) Cu-Fe interface microhardness 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1637 ·

1638 工程科学学报，第43卷，第12期 (a)1500 (b) 82 1450 sured values SVR predictive values Test set sample numbers:1-100 02 1500 0 51015202530 30354045505560 1.0 1450 nMeasured values 8 SVR predictive values Test set sample numbers:101-200 安1500 0.6 0.4 0.2 1450 Measured values 60657075808590 9095100105110115120 SVR predictive values Test set sample numbers:201-300 Sample Sample 1500 1.0F 8 }0电 1450 Measured values SVR predictive values Test set sample numbers:301-400 0 20 02L 40 60 120125130135140145150 50155160163170175180 Sample numbe Sample Sample 6000-1 (d) 0.462 0.44 4000 0.3 042 2000 5750 030 Air volume Air vol Air pressure 0 10152025 0 30354045505560 Sample Sample 3 0.23 23000- 02442 022 2000 0.2 0.1 1000 02 0 0.24 0.18 三 Top pressure Top pressure 60 65 70 7580 85 90 9095100105110115120 Sample Sample 10Re-1 4.00 1400 250 1200 120 3.00 1000 110 2.50 1100 800 Resist 120 125130135140145150 150155160165170175180 Sample Sample 困5()基于支持向量回归(SVR)的铁水温度预测模型在测试集上的预测结果s:(b)炉渣黏度预测模型在测试集上的预测结果s:(©)对煤气利 用率进行预测建模时对原始数据进行数据预处理前后的数据分布对比图5乳：()高炉煤气利用率预测模型在测试集上的预测结果5 Fig.5 (a)Prediction results of the support vector regression(SVR)-based iron temperature prediction model on the test sets4(b)prediction results of the slag viscosity prediction model using the test se(c)comparison of the data distribution before and after the original data preprocess during the gas utilization rate modeling(d)prediction results of the blast fumace gas utilization prediction model on the test se 的开发提供技术依据 合反应机理及迁移转变机制（图6），揭示了氯化物 自还原技术处理含铁尘泥是将含铁尘泥和含 催化脱除碱金属和锌的作用机理，显著提升了烧 碳原料混合后制成自还原团块，高温焙烧还原生 结过程碱金属、锌的脱除率和烧结矿质量.随后， 产海绵铁或高温铁水.由于自还原技术能够实现 又提出了转炉污泥与除尘废水最优的添加方式6阿， 含铁尘泥的资源化利用，一直以来备受关注， 实现了炼钢污泥与除尘废水无害化处理，节约了 Tecnored工艺Is9、Oxycup工艺6ol、Fastmet工艺6， 生水消耗，实现了“以废治废” Itmk3工艺62]等均是基于自还原技术开发而来 Ignition 王飞等6]以水泥为黏结剂制备了含铁尘泥自还原 团块，研究了尘泥团块还原焙烧过程中硅酸盐-铁 连晶一渣相的复合黏结机制，揭示了锌元素在竖炉 HCL CE on zone 处理尘泥团块中的物质迁移规律以及挥发行为， Na:O,K:CO NaAISi-O KAISiO NaCL KCI ZnO,ZnFe.O 为尘泥团块高效脱锌提供了理论指导 Raw mix zone 6.2炼钢污泥与除尘废水无害化循环烧结技术 Hearth bed Sintering pallet 每生产1t钢会产生2~3m3的除尘废水和 Combustion gas 15~20kg的转炉污泥，Wang等6例利用炼钢污泥 图6烧结过程中有害元素迁移示意图 与除尘废水掺混后返回铁矿烧结进行协同处理， Fig.6 Schematic diagram of harmful elements migration during 阐明了高温烧结过程K、Na、Zn、CI等有害元素耦 sintering

的开发提供技术依据. 自还原技术处理含铁尘泥是将含铁尘泥和含 碳原料混合后制成自还原团块，高温焙烧还原生 产海绵铁或高温铁水. 由于自还原技术能够实现 含铁尘泥的资源化利用 ，一直以来备受关注 ， Tecnored 工艺[59]、Oxycup 工艺[60]、Fastmet 工艺[61]、 Itmk3 工艺[62] 等均是基于自还原技术开发而来. 王飞等[63] 以水泥为黏结剂制备了含铁尘泥自还原 团块，研究了尘泥团块还原焙烧过程中硅酸盐−铁 连晶−渣相的复合黏结机制，揭示了锌元素在竖炉 处理尘泥团块中的物质迁移规律以及挥发行为， 为尘泥团块高效脱锌提供了理论指导. 6.2    炼钢污泥与除尘废水无害化循环烧结技术 每生产 1 t 钢会产生 2～3 m3 的除尘废水和 15～20 kg 的转炉污泥，Wang 等[64] 利用炼钢污泥 与除尘废水掺混后返回铁矿烧结进行协同处理， 阐明了高温烧结过程 K、Na、Zn、Cl 等有害元素耦 合反应机理及迁移转变机制（图 6），揭示了氯化物 催化脱除碱金属和锌的作用机理，显著提升了烧 结过程碱金属、锌的脱除率和烧结矿质量. 随后， 又提出了转炉污泥与除尘废水最优的添加方式[65] ， 实现了炼钢污泥与除尘废水无害化处理，节约了 生水消耗，实现了“以废治废”. Ignition Sintering pallet Cl−1 HCl, Cl2 NaCl, KCl Zn ZnO, ZnFe2O4 Na2O3, K2CO3, NaAlSi2O6, KAlSi2O6 Raw mix zone Combustion zone Combustion gas Hearth bed Air 图 6    烧结过程中有害元素迁移示意图 Fig.6     Schematic  diagram  of  harmful  elements  migration  during sintering (a) 1500 1450 1500 1450 1500 1450 1500 1450 0 20 40 60 80 Sample number Temperature/ ℃ Measured values SVR predictive values Measured values SVR predictive values Measured values SVR predictive values Measured values SVR predictive values Test set sample numbers: 1−100 Test set sample numbers: 101−200 Test set sample numbers: 201−300 Test set sample numbers: 301−400 (b) (c) (d) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Viscosity/(Pa·s) 0.2 Sample 0 5 10 15 20 25 30 Measured viscosity Predicted viscosity 1.6 1.0 1.2 1.4 0.8 0.6 0.4 0.2 Viscosity/(Pa·s) Sample 30 35 40 45 50 55 60 Measured viscosity Predicted viscosity 1.0 0.8 0.6 0.4 Viscosity/(Pa·s) 0.2 Sample 60 65 70 75 80 85 90 Measured viscosity Predicted viscosity 0.7 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 Viscosity/(Pa·s) 0.2 Sample 90 95 100 105 110 115 120 Measured viscosity Predicted viscosity 1.0 0.6 0.4 0.2 Viscosity/(Pa·s) Sample 120 125 130 135 140 145 150 Measured viscosity Predicted viscosity 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Viscosity/(Pa·s) 0.2 Sample 150 155 160 165 170 175 180 Measured viscosity Predicted viscosity 0.8 0.8 50 48 46 44 42 40 36 Gas utilization rate/% Sample 0 5 10 15 20 25 30 Ture value Predicted value Gas utilization rate/% Sample 30 35 40 45 50 55 60 Ture value Predicted value Gas utilization rate/% Sample 60 65 70 75 80 85 90 Ture value Predicted value Gas utilization rate/% Sample 90 95 100 105 110 115 120 Ture value Predicted value Gas utilization rate/% Sample 120 125 130 135 140 145 150 Ture value Predicted value Gas utilization rate/% Sample 150 155 160 165 170 175 180 Ture value Predicted value 38 50 48 46 44 42 40 36 38 50 48 46 44 42 40 36 38 50 48 46 44 42 40 36 38 50 48 46 44 42 40 36 38 50 48 46 44 42 40 36 38 2000 Data distribution Air volume 6000 (a-1) (a-2) (b-1) (b-2) 4000 7000 5750 6000 6250 6500 6750 Air volume 0.1 0.2 0.3 0.4 Data distribution Air pressure 0.46 0.44 0.38 0.40 0.42 Air pressure 0.3 0.2 0.1 0 Data distribution Top pressure Top pressure 0 1000 2000 3000 0.20 0.21 0.22 0.23 Data distribution Pressure difference 0.18 0.20 0.22 0.24 Pressure difference (c-1) (c-2) (d-1) (d-2) 2 4 6 8 10 Data distribution Resistance coefficient 2.50 3.00 3.50 4.00 Resistance coefficient 800 1000 1200 1400 Data distribution Air temperature 1100 1250 1150 1200 Air temperature (e-1) (e-2) (f-1) (f-2) 图 5    （a）基于支持向量回归（SVR）的铁水温度预测模型在测试集上的预测结果[54] ；（b）炉渣黏度预测模型在测试集上的预测结果[52] ；（c）对煤气利 用率进行预测建模时对原始数据进行数据预处理前后的数据分布对比图[53] ；（d）高炉煤气利用率预测模型在测试集上的预测结果[53] Fig.5    (a) Prediction results of the support vector regression (SVR)-based iron temperature prediction model on the test set [54] ; (b) prediction results of the slag viscosity prediction model using the test set[52] ; (c) comparison of the data distribution before and after the original data preprocess during the gas utilization rate modeling[53] ; (d) prediction results of the blast furnace gas utilization prediction model on the test set[53] · 1638 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期