在高炉冶炼进程中，炉前作业是一个重要的环节，其主要任务是连续不断地将高炉内生成的渣铁从铁口排出，在主沟内渣铁分离后，高炉渣经渣沟进入渣处理系统，铁水流经铁沟和摆动溜槽进入鱼雷罐车运输至下道工序，保证高炉生产正常进行。炉前作业的主要场所为高炉出铁场，是除高炉本体之外最重要的高温区域，由出铁场平台、出铁口、主沟和渣铁沟、残铁沟、摆动溜槽和炉前除尘系统组成。宝钢高炉设有4个铁口分布在2个对称的矩形出铁场。出铁场由多种耐火材料组成，耐火材料性能决定了高炉的安全生产和正常运行。 目前具有近40年大型高炉操作经验、拥有9座4000m3以上大型高炉、大型高炉铁水年产能超过3300万吨的宝钢股份，经过多年技术研发及应用改进，出铁场耐火材料应用消耗水平总体保持在国内领先水平，但是还存在着很多薄弱环节，影响了出铁场耐材整体应用水平，给现场生产与环保造成了不少困难与安全隐患。 针对特大型高炉出铁场在出铁口和沟系统应用中存在主沟接头易钻渣渗铁、沟料施工烘烤时间长、采用沥青结合的出铁场耐材使用过程中产生可视环境污染、铁口区煤气火治理效果不佳影响铁口永久砖保护砖结构稳定、泥套损坏过快等技术难点，从现状问题着手，进行了损坏机理研究，产生改进方向，并试验出配套施工工艺，深入开展基础研究，提出解决方案后，以工业试验应用的方式验证、优化，取得显著的效果后，固化技术成果，形成大型高炉出铁场高效、环保耐材技术开发与应用技术，降低了劳动强度，消除了主沟接头处钻渣渗铁等事故，改善炉前作业环境和作业人员劳动强度。

在高炉出铁场耐材优化改进方面，国内外各钢铁企业在提高沟系统耐材性能，降低沟料耐材成本方面取得长足的进步，但在出铁口和沟系统应用中仍长期存在主沟接头易钻渣渗铁发生漏铁事故、沟料施工烘烤时间长影响铁口作业安排、采用沥青结合的出铁场耐材使用过程中产生可视环境污染释放有毒气体、铁口区煤气火治理效果不佳影响铁口永久砖保护砖结构稳定、泥套损坏过快等问题影响高炉安全、高效、绿色生产，成为出铁场炉前作业的痛点、难点问题，本项目针对大型高炉出铁场的以上问题点在2014年至2020年间展开研究。

钢铁工业是国民经济的支柱产业，也是污染物和碳排放重点行业，根据研究报告我国钢铁行业二氧化碳排放占全国总量的16%左右。在国家“双碳”目标及十四五“更趋严格的能耗”要求下，钢铁行业低碳绿色发展越显重要。我国钢铁工艺主要以高炉+转炉长流程冶炼为主，长流程钢占比90%，而长流程的吨钢CO2排放在1.8~2.2t，二氧化硫、颗粒物、氮氧化物等污染物排放0.7kg/t以上，其中高炉炼铁系统的污染物排放占90%以上，CO2排放占85%以上，所以高炉炼铁系统的节能减排对钢铁工业低碳绿色化发展意义重大。 我国高炉炼铁炉料结构主要以烧结矿为主，烧结矿平均入炉比例在70%以上，但烧结工艺普遍存在工序能耗高、烟气和污染物排放量大等问题，对炼铁系统的污染物和碳排放影响较大。球团工艺的能耗和污染物排放仅为烧结工序的50%以下，CO2排放为烧结的30%左右，所以用球团替代烧结，提高球团矿在高炉炼铁中的使用比例有利于降低炼铁系统的污染物和碳排放。

首钢从资源、环境、技术和经济多方面综合衡量，将炼铁工艺流程配置创新升级为“3座5500m3高炉+3台504m2带式焙烧机+2台500m2烧结机”（简称“3+3+2”），传统三元炉料结构调整为“熔剂性球团矿+酸性球团矿+高碱度烧结矿+块矿”四元炉料结构，是一项可填补国内空白兼具行业特色示范性工程，被列为国家“十三五”钢铁流程绿色化关键技术中的重大突破性技术之一。 该项目创新点有： 创新点一： 从低碳清洁和经济性出发，创新配置了“3座5500m3高炉+3台504m2带焙机+2台500m2烧结机”（简称“3+3+2”）的炼铁工艺流程，通过球团矿质量和综合炉料冶金性能的融合研究，确定了“35%碱性球+20%酸性球+40%烧结矿+5%块矿”的差异化炉料结构，填补了国内行业的空白。 创新点二： 研究了不同炉料及装料顺序对炉料分布和透气性、膨胀性能的影响，提出并设计了适用于高比例球团冶炼的并罐布料装置、炉身角度及合适的高径比，有效解决高比例球团冶炼时布料偏析、炉料膨胀影响等难题，为超大型高炉高比例球团稳定冶炼创造了有利条件。 创新点三： 提出了与高比例球团冶炼相匹配的煤气控制技术，形成了以压差为目标、以炉腹煤气指数为纽带、以高富氧高顶压高风温鼓风加湿为路径的超大型高炉高比例球团冶炼技术体系，实现了低碳高效稳定运行。 创新点四： 开发了原料工序通过单拱全球最大跨度的料场封闭技术、高炉炉顶煤气全量回收系统、烧结烟气循环工艺，烧结球团工序实施半干法+SCR脱硫脱硝技术，实现了京唐铁前工序的清洁生产，CO2排放降低10%，SO2、NOx等污染物排放降低15%以上。 项目共取得专利9项、论文4篇。 自2019年6月全面实施50%以上高球团比例的冶炼，实现了3座5500m3高炉50%球团比例的高效稳定运行，平均利用系数达到2.3t/（m3•d）以上，月均日产量最高达到39000t，其中3高炉连续五个月平均日产12820t，平均渣比降低到213kg/THM，平均燃料比达到468kg/THM。最高月均日产量达到13198t，最低月均燃料比463kg/t、最低月均渣比206kg/t。工序能耗最低实现了440kgce，较基准期降低了20 kgce/t以上，取得了良好的效果。项目经济效益约1.5亿元。CO2减排10% ；颗粒物、SO2和NOx污染物减排24%，CO减排33%；高炉渣减排30%。

氧化球团是现代大型高炉炼铁必不可少的炉料，2016-2018年我国球团占炼铁炉料结构比例约13%，但与美国、瑞典等发达国家（80-90%球团入炉）相比，我国因球团矿产量严重不足，入炉比偏低。中国球团品种长期以酸性球团为主，缺乏生产碱性球团技术。此外，因回转窑生产碱性球团对原料条件要求苛刻，市场上低硅、低碱金属的优质精粉资源非常匮乏，且磁铁精矿严重短缺、价格高。因此，以来源广泛、价格低、传统球团企业难利用的镜铁精矿、粗粒赤铁粉矿为原料，开发资源宽口径的多元化配矿技术就成为解决上述难题的必然选择。但镜铁精矿和赤铁粉矿存在粒度粗、成球性差、生球强度低、预热和焙烧温度高、能耗高等技术特点，同时存在生产过程控制难度大，回转窑易结圈，产品存在还原膨胀率偏高等技术难题。 本项目开发了资源宽口径配矿及矿石表面改性技术。制定了粗粒烧结粉和镜铁矿组合磨矿、高压辊磨表面改性的技术标准，开发了载体沉降及强化过滤技术，打破了粗粒烧结粉用于球团的“技术壁垒”。使镜铁精矿的磨矿能耗下降30%，强亲水性的细磨赤铁粉矿沉降速度提高24.4%，过滤脱水效率提高10.6%，解决了微细颗粒对水体污染问题。非传统球团用烧结粉矿和镜铁矿配比达到80-85%，实现了资源多元化，显著提高了资源利用率，大幅度降低了原料成本。开发了链篦机-回转窑多元化球团制备技术，在高赤铁矿配比(80%～90%)下，生产镁质熔剂性球团，突破了国外镁质球团以带式焙烧机为主的工艺限制，及国内以磁铁矿为主的原料类型限制，具备在线切换生产碱性、镁质、酸性球团能力。开发了窑体精确定位与红外连续三维测定技术，建立了回转窑内结圈物厚度及分布的数学模型，研制了窑内结圈物三维分布可视化系统，通过及时测量和预测、精准调控、预防回转窑结圈，停机时间降低95.4%，作业率提高5%。开发了低温烟气高效脱硫脱硝技术，球团烟气脱硫已运行四年，实现球团绿色清洁生产。 获授权发明专利4项，企业技术秘密6项，发表学术论文49篇。项目成果已成功应用于宝钢湛江、武钢、安钢3家国内钢铁企业，优质球团产品长期供宝钢、武钢、安钢、日本制铁、韩国浦项、台湾中钢等国内外企业大型高炉使用，经济效益和社会效益显著。

球团工序的能耗和污染物排放是烧结工序的55%左右，在节能减排新形势下，发展球团，提高球团矿在高炉炼铁中的使用比例是钢铁企业绿色化发展方向。 为了推动钢铁工业绿色化发展，首钢京唐二期工程未建烧结系统，建设了2条400万吨球团矿生产线，与一期工程融合后，3座5500m3高炉的球团矿比例将从28%提高至55%。而开发出低硅碱性球团矿是高炉实现高比例球团冶炼和获得良好技术经济指标的先决条件。 为了开发出高铁低硅碱性球团矿，本项目研究了生产低硅碱性球团矿的适宜熔剂及熔剂制备技术和质量需求，低硅碱性球团矿的焙烧固结机理及还原膨胀率控制措施等关键技术，提出了用消石灰替代传统石灰石粉生产高铁低硅碱性球团矿的工艺路线，攻克了球团膨润土配比高影响硅含量，低硅球团矿还原膨胀率严重，碱性球团矿焙烧温度范围窄等诸多难题，最终在京唐504m2大型带式焙烧机上成功生产出了铁品位66.2%以上，SiO2含量2.2%以下，碱度1.1~1.2，抗压强度3000N/P以上，还原膨胀率18%以下，还原度86%以上的优质高铁低硅碱性球团矿，球团矿综合指标超过了巴西Vale公司的优质碱性球团矿。使用低硅碱性球团矿后，京唐公司3座5500m3高炉实现了55%以上球团矿稳定冶炼，高炉渣量降低至215kg/t，燃料比到483kg/t。 项目的创新点主要有： （1）提出了以消石灰替代传统石灰石粉生产高铁低硅碱性球团矿的工艺路线，生产出了铁品位66.2%，SiO2含量2.2%，碱度1.1~1.2的高铁低硅碱性球团矿，为高炉降低渣比至215kg/t提供了主要条件，并制定了球团生产用消石灰质量指标； （2）克服了碱性球团矿生产过程中熔剂配料不稳定，生球易爆裂，碱金属析出多等难题，通过改进配料装置、电除尘和布风板，打通了影响碱性球生产的主要环节，单台设备日产量达到12900吨，超过了设计值； （3）研究了低硅碱性球团矿的还原膨胀机理，通过合理调整碱度，焙烧制度及形成有利物相等措施，攻克了低硅碱性球团矿还原膨胀率高的难题，使球团矿SiO2含量降低至2.2%的同时，还原膨胀率降到了17.5%，满足了大型高炉使用要求。 本项目的实施对高炉高比例球团冶炼，降低渣量和燃料消耗，实现节能减排，绿色化发展起到了重要的示范作用。

大型（特大型）高炉，无料钟炉顶关键设备技术一直被国外公司所垄断，导致长期以来在国内建设大型（特大型）高炉，或者我国进入国际市场参与建设的各级别高炉，国外公司一直坚持垄断经营与捆绑式销售，并恶意抬高售价牟取暴利，或采取技术封锁，限制我国各公司与之开展项目竞争，使我国钢铁冶金行业从装备制造到工程建设、再到产品生产屡受缺乏核心技术之痛，并付出了巨大的经济代价。 2009年5月，借助于宝钢湛江钢铁基地项目建设契机，以湛江钢铁新建的两座特大型高炉为应用目标，成立由宝钢湛江钢铁、中冶赛迪、秦冶重工组成的联合研发团队，在中冶赛迪、秦冶重工多年研发成果的基础上，结合宝钢多年特大型高炉生产操作经验与工艺技术积累，开展了针对特大型高炉无料钟炉顶关键工艺技术与装备开发及应用项目研究。

随着高炉生产对烧结矿质量、产量要求的日益提高和设备大型化的发展要求，烧结过程控制的目标也越来越高。如何从以往简单的一级定值控制，转换为整个烧结生产的稳定的、优化的、复杂的、多目标的计算机智能闭环控制，成为一项重要课题。作为高炉冶炼的上游工序，烧结智能专家系统的研发和应用，是为5500m3特大型高炉提供高质量的稳定的原料供应的基础保障。烧结智能控制系统的应用可以使生产过程稳定，降低能耗，实现可持续性发展。国外的引进系统不仅成本高、技术封锁、优化升级困难，而且不能很好的适应工况。因此，开发和应用具有自主知识产权的智能控制系统，可以提升企业乃至整个行业整体竞争力。 550m2烧结机智能闭环控制系统将人工智能技术与烧结工艺基本理论结合，针对从配料开始的烧结全过程，应用数学方法建立模型进行控制。系统主要包括配料控制子系统、烧结过程控制子系统、质量控制子系统和生产信息管理子系统等四个子系统，实现了烧结生产的智能控制，保证了烧结生产过程节能降耗，提高了产品质量。该成果的应用，优化了烧结生产过程，实现了烧结生产的智能闭环控制，填补了首钢在烧结自动化控制领域的空白，使首钢京唐烧结生产达到了国际领先水平，提高了企业形象和竞争力；具有完全自主知识产权的烧结智能控制系统在行业内具有广泛的推广应用价值。

研究内容： 1.材料生产工艺改进和工业性应用示范 在济南钢铁股份有限公司、甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司等企业焦炉上应用高效蓄热体覆层技术，对实施本技术和未实施本技术的、设计完全相同的焦炉进行节能效果标定。 对已应用高效蓄热体覆层技术的焦炉进行数值模拟研究，建立焦炉传热的数学模型，将模拟数据与现场应用数据比较、分析，在理论上验证焦炉应用本技术的适用性。 在济南钢铁股份有限公司、甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司等企业焦炉上应用高效蓄热体覆层技术，对实施本技术和未实施本技术的、设计完全相同的焦炉进行节能效果标定。 对已应用高效蓄热体覆层技术的焦炉进行数值模拟研究，建立焦炉传热的数学模型，将模拟数据与现场应用数据比较、分析，在理论上验证焦炉应用本技术的适用性。 2.高辐射覆层材料涂覆耐火材料的实验室试验研究 ① 进行高效蓄热体覆层材料配方的改进试验，使覆层材料的性能进一步提高。 ②覆层与耐火材料基体的结合性状研究，研究覆层的岩相特征。 ③ 研究高辐射覆层材料在高炉热风炉内的最佳涂覆部位及涂覆量。 ④研究覆层对工业炉格子砖传热性能、物理性能的影响。 ⑤ 研究高效蓄热体覆层对耐材基体抗热震性能的影响 ⑥ 覆层涂覆焦炉用耐火材料的实验室试验，研究覆层对焦炉砖力学性能的影响。 ⑦ 进行包括覆层性能测定。 3.高效蓄热体覆层材料新生产线的设计 研发一套既能满足市场需求量，又能保证质量的高效蓄热体覆层材料生产线。

项目的总体目标为：开发钢铁工业节能新技术、节能新材料所需高性能耐火材料技术，在大型高炉热风炉和焦炉、特种薄带材生产工艺和循环流化床锅炉中实现示范应用。通过技术攻关，形成具有完全自主知识产权的核心技术，整体技术水平达到国际先进水平，带动耐火材料技术进步。 本项目研究内容：研发具有完全自主知识产权的高炉热风炉和焦炉等工业窑炉用高效蓄热体覆层材料制备生产及应用的关键技术、新型特种耐火材料关键技术开发、生产和使用的配套技术和循环流化床锅炉水冷壁管防磨关键技术研究，满足国内钢铁工业相关领域节能增效和新材料发展的迫切需求。 本项目研究内容分解为3个课题，包括： 1 高效蓄热体覆层材料生产新工艺及其在大型高炉热风炉和焦炉的应用示范 2 新型特种耐火材料关键技术开发 3 循环流化床锅炉水冷壁管防磨关键技术研究