2月20日，鋼鐵共性技術協同創(chuàng)新中心（以下簡稱：中心）新一輪建設正式啟動。中心將依托工藝與裝備研發(fā)和高端產品開發(fā)兩大平臺，堅持“四個面向”，圍繞鋼鐵行業(yè)關鍵共性技術和前沿引領技術，通過“四維協同”機制，產出一批重大原創(chuàng)科技成果，培養(yǎng)一批創(chuàng)新人才，推動一批科技成果實施轉化，為將我國鋼鐵行業(yè)建設成為國際領先的工業(yè)集群貢獻力量。針對工藝與裝備研發(fā)平臺九大研發(fā)方向的關鍵技術內容、研發(fā)思路以及實施方案，本報特組織相關報道，以饗讀者！
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研究背景
鋼鐵工業(yè)是我國碳中和重點領域，涵蓋燒結、球團、焦化、高爐工序的煉鐵產業(yè)低碳化是鋼鐵工業(yè)碳中和的關鍵。研發(fā)和應用低碳煉鐵工藝與裝備技術是煉鐵產業(yè)發(fā)展的要求。目前氫冶金理論和技術體系尚待完善，我國自主知識產權的核心裝備尚未中試，基于氫冶金的釩鈦礦等戰(zhàn)略資源高效利用技術尚未明晰和中試。
基于上述背景，針對煉鐵產業(yè)低碳智能化轉型升級重大需求，東北大學儲滿生教授及其團隊圍繞新一代低碳煉鐵工藝與裝備技術，重點研發(fā)新一代低碳高爐、鐵區(qū)一體化智能化煉鐵、氫冶金關鍵技術與裝備等關鍵共性技術（見圖1）；開展重點技術中試和示范，形成低碳煉鐵關鍵共性技術并推廣應用，為煉鐵產業(yè)低碳創(chuàng)新發(fā)展提供支撐。
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關鍵共性技術內容
2.1 新一代低碳高爐煉鐵理論與技術
為滿足鋼鐵工業(yè)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展的要求，未來高爐煉鐵工藝必將在高效低耗、節(jié)能減排、清潔環(huán)保等方面取得顯著突破。以低碳綠色發(fā)展為目標，優(yōu)化高爐煉鐵工藝，提高高爐煉鐵生命力和競爭力。研發(fā)熔劑性球團和復合鐵焦等低碳高爐爐料，將富氫介質噴吹（焦爐煤氣、天然氣、氫氣等）、爐頂煤氣循環(huán)、高富氧冶煉等操作高效匹配和耦合集成，形成新一代低碳高爐。在此基礎上，闡明富氫-碳循環(huán)-氧氣高爐降碳極限化、反應體系重構、多元多相耦合作用等核心理論，形成富氫-碳循環(huán)-氧氣高爐低碳冶煉關鍵技術與理論，獲得煉鐵降碳30%-50%的技術途徑。
2.2 鐵區(qū)一體化智能化煉鐵理論與技術
針對高爐煉鐵生產過程復雜，全流程“黑箱”、存在嚴重的不確定性，工序之間數據協調性差，數據利用水平低，操作制度依賴專家經驗，優(yōu)化手段不夠全面等問題，構建多重驅動的煉鐵信息物理系統(tǒng)，基于大數據和AI的智能化煉鐵技術，研發(fā)機理、數據、知識多維驅動的鐵前-高爐信息物理系統(tǒng)，實現多維信息融合的鐵區(qū)一體化智能化煉鐵，建立以高爐為中心的鐵區(qū)一體化智能化閉環(huán)賦能體系。
2.3 氫冶金關鍵技術與裝備
高爐-轉爐長流程存在碳排放高、產品純凈度無法滿足高端裝備制造需求等問題。鋼鐵工業(yè)亟需在工藝流程、能源結構，產品結構等方面進行優(yōu)化升級，而發(fā)展氫冶金是我國鋼鐵工業(yè)實現低碳綠色轉型升級的根本途徑。研發(fā)豎爐爐料性能協同優(yōu)化、富氫氣體/氫氣加熱過程反應行為、氫基直接還原等核心理論，設計氫基豎爐核心裝備，建設氫冶金中試基地；研發(fā)氫基豎爐核心裝備，并完成萬噸級工程示范（見圖2）。研發(fā)釩鈦礦氫基直接還原-電爐熔分新工藝技術，實現鐵、釩、鉻、鈦的高效回收，形成特色冶金資源低碳綠色利用共性技術。
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研究技術路線與實施方案
3.1 新一代低碳高爐煉鐵理論與技術
基于新一代低碳高爐煉鐵爐料，研發(fā)基于冶金性能協同優(yōu)化的高品質熔劑性球團制備技術，形成高爐高球團比冶煉條件下的高爐布料、煤氣流合理分布以及強化冶煉技術；研發(fā)低品位鐵礦/鋼渣/粉塵復合鐵焦新爐料制備技術，強化高爐原料適應性，研發(fā)國內首套具有自主知識產權的復合鐵焦新爐料中試裝置；揭示富氫噴吹對風口回旋區(qū)特性、爐內多場多相耦合作用、爐料冶金性能的影響，構建高爐噴吹富氫介質綠色協調性評價模型，研發(fā)富氫介質噴吹系統(tǒng)，開展中試，形成高爐噴吹富氫介質工藝和裝備技術；研發(fā)循環(huán)煤氣噴吹方式、上下部調劑對高爐爐況、技術經濟指標的影響，獲得合理的碳循環(huán)-氧氣高爐工藝配置，提出碳循環(huán)-氧氣高爐工業(yè)試驗方案，合作開展工業(yè)化試驗，形成碳循環(huán)-氧氣高爐工藝系統(tǒng)和裝備技術。
3.2 鐵區(qū)一體化智能化煉鐵理論與技術
建立鐵前原燃料數據庫，開發(fā)燒結/球團生產綜合運行狀態(tài)數字化評價、燒結/球團生產過程關鍵變量數字化預測與反饋、燒結/球團-高爐煉鐵一體化智能配礦技術，形成機理與數據融合的智能化造塊技術，廣泛推廣應用；基于數字孿生思路，研發(fā)高爐多元異構數據智能解析、高爐關鍵指標數字化預測與反饋、高爐綜合運行狀態(tài)動態(tài)評價與科學溯因、高爐操作多目標優(yōu)化與智能自愈技術；基于工業(yè)大數據和人工智能的智能化煉鐵技術，首創(chuàng)國內數據-機理-經驗多重驅動的高爐煉鐵信息物理系統(tǒng)，提出煉鐵系統(tǒng)多元異構數據全維度、多層次深度治理方法，形成機理、數據、知識融合的煉鐵復雜工況信息感知技術，實現多維信息融合的高爐操作多目標智能優(yōu)化決策，形成以高爐為中心的“鐵前-高爐”鐵區(qū)一體化閉環(huán)賦能體系及數字化高爐煉鐵示范。
3.3 氫冶金關鍵技術與裝備
形成爐料性能協同優(yōu)化、氫氣加熱、氫基豎爐內氫碳交互作用、短流程多目標優(yōu)化等理論技術，構建完整的氫基豎爐直接還原理論和技術，建立氫基豎爐短流程系統(tǒng)碳足跡及綠色協調性評價體系，研發(fā)設計氫基豎爐核心裝備，建設國內首座具有自主知識產權的氫基豎爐短流程示范工程；將氫基豎爐直接還原-電爐熔分工藝應用于釩鈦磁鐵礦高效清潔利用，構建基于氫冶金的釩鈦磁鐵礦高效低碳利用理論體系，實現鐵、釩、鉻、鈦的高效分離，形成釩鈦磁鐵礦礦綜合利用新工藝。
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研究計劃
在上述原有相關技術研究與開發(fā)基礎上，計劃用5年時間完成低碳煉鐵工藝與裝備技術開發(fā)與應用，具體計劃包括：
◆ 2023年，研究循環(huán)煤氣噴吹方式和上下部調劑、富氫-碳循環(huán)-氧氣高爐工藝制度與爐況等低碳高爐煉鐵關鍵理論，鐵前-高爐多元異構數據智能解析、關聯規(guī)則挖掘、關鍵指標預測與反饋模型等智能化煉鐵關鍵技術，研究豎爐爐料性能協同優(yōu)化、釩鈦礦氫基直接還原-電爐熔分等氫冶金核心內容，設計氫基豎爐系統(tǒng)裝置，低碳智能化煉鐵關鍵技術推廣應用產線1-2條。
◆ 2024年，研究富氫-碳循環(huán)-氧氣高爐爐型、富氫-循環(huán)煤氣加熱處理技術等低碳高爐煉鐵關鍵理論；開發(fā)數據、機理與經驗融合的鐵前-高爐動態(tài)數字孿生系統(tǒng)；研究富氫氣體/氫氣加熱過程反應行為、氫基直接還原、釩鈦礦氫基直接還原-電爐熔分等氫冶金核心內容；建設氫基豎爐中試裝置，開展氫基豎爐工程示范。
◆ 2025年，形成富氫-碳循環(huán)-氧氣高爐工業(yè)試驗方案，構建機理、數據、知識多維驅動的煉鐵信息物理系統(tǒng)，完成萬噸級氫基豎爐系統(tǒng)的工程示范，低碳智能化煉鐵關鍵技術推廣應用產線2-3條。
◆ 2026年，分別形成低碳高爐煉鐵和智能化煉鐵的高水平研發(fā)隊伍，構建完整的新一代低碳高爐技術及智能化煉鐵技術體系，并達到國際先進水平，關鍵技術推廣應用于2-3條產線。
◆ 2027年，形成一支高水平的氫冶金技術與裝備研發(fā)隊伍，氫冶金工藝技術總體達國際先進水平，關鍵技術推廣應用于1-2條產線。
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預期效果
本項目圍繞低碳煉鐵三個子方向，研發(fā)具有能源結構優(yōu)化、能量密度強化、化學能利用高效化特征的新一代富氫-碳循環(huán)-氧氣高爐低碳煉鐵技術；基于大數據和AI的數字化造塊和數字化高爐技術，形成以高爐為中心的“鐵前-高爐”鐵區(qū)一體化閉環(huán)賦能體系；研發(fā)氫基豎爐短流程新工藝及其裝備技術、基于氫冶金的釩鈦礦等特色冶金資源高效低碳利用技術。預期將形成3-5項低碳煉鐵關鍵共性技術，實現低碳煉鐵技術產線應用5-10條；設計具有自主知識產權的氫基豎爐系統(tǒng)核心裝備；建成氫冶金短流程、鋼鐵冶金長流程碳中和中試基地、低碳鋼鐵前沿技術教育部工程研究中心等研發(fā)平臺，實現低碳煉鐵技術的成果轉化和工業(yè)化應用。
