梯队负责人: 张建良 教授

梯队成员: 张建良,杨天钧, 程素森,高斌,左海滨,国宏伟

梯队简介:

本梯队现有教授3名，副教授1名，讲师2名，博士、硕士研究生若干名，是一支锐意进取、业务精良、老中青结合合理的梯队科研队伍。课题组主要从事的研究领域包括高炉过程仿真及优化、高炉富氧喷煤、直接还原、熔融还原、氧气高炉和复合铁合金开发及其应用等。

高炉富氧喷煤是当前降低炼铁成本、减少CO2排放最行之有效的技术手段。课题组对高炉富氧喷煤的燃烧机理、煤粉灰分对造渣过程影响、高炉行程变化和煤粉高速喷入物理过程等系统性研究，提出的适量富氧、喷烟煤（或混合喷吹）、氧煤枪、催化燃烧及工业状态燃烧监测等开拓性成果为国内外钢铁界采用，效益显著。

非高炼铁，代表了未来世界炼铁的发展方向，课题组紧跟这一技术潮流，对非高炉炼铁技术进行了深入而细致的研究，其中的专著《熔融还原技术》获得冶金部优秀教材奖，与秦民生先生合作提出的FOBF、LGC等氧气高炉工艺流程，得到了国内外专家的一致认可。

课题组先后为宝钢、首钢、武钢以及美钢联等国内外知名企业做过高炉专家系统、高炉软熔带数学模型、高炉长寿技术的研究开发，对冶金容器内的流体流动，传热及传质现象等有着深入而细致的研究，研究开发出的铜冷却壁已在国内外高炉上得到广泛应用。

代表性研究内容与成果:

1) 高炉富氧喷煤

(1) 适量富氧提高喷吹量开拓性研究成果显著

杨天钧教授1984年在德国发表论文率先确立了煤粉在高炉燃烧的机理，指出提高煤粉在高炉风口区燃烧率是提高喷吹量的关键。研究了不同气氛、灰分和未燃煤粉对高炉造渣过程的影响，指出提高喷吹量同时改善高炉行程的可能性。创造性利用空间技术高速激波管首次模拟了高炉200m/s以上风速煤粉喷入状态，提出变化喷枪端部气固两项相对速度强化紊动气流与固体颗粒的传质，可以改善煤粉混合和分布，提高燃烧率，引起工业界改进喷枪结构广泛兴趣。利用自行研制的高炉煤粉燃烧实验模拟装置，证实适量富氧、煤粉细磨、提高风温、采用合适高挥发分煤粉（或混合喷吹）及改善高炉行程等措施可以提高燃烧率，从而证实了适量富氧加大喷吹量的可能性。

(2) 创造性地在高炉工业试验中应用现代监测方法取得重大突破

课题组在国内率先研制风口耐温防尘光纤内窥镜观测煤粉分布与燃烧状态，应用红外热像仪并研制了煤粉云在风口区温度分布图像识别系统，证实所研制的氧煤枪可充分进行煤、氧预混，由直吹管适量富氧显著提高喷入煤粉颗粒周围局部区域氧浓度，加速燃烧。率先确立了高炉氧煤枪的基本要求（短焰并稳定燃烧，不回火，适合氧量，强化氧煤混合，供氧自冷以缩小直径，长寿等）。

(3) 工业试验取得重大成就，效益显著

课题组先后参与完成的重大富氧喷煤项目主要有：

①高炉氧煤强化炼铁新工艺，国家科技进步奖、冶金部科技进步奖；

②包头特殊矿高炉富氧喷煤技术，冶金部科技进步奖；

③高炉氧煤炼铁理论研究，冶金部科技进步奖；

④韩国浦项（RIST）高炉超量喷煤项目；

⑤国家“八五”攻关项目“实现高炉喷煤205kg计算软件以及进一步加大喷煤量的研究”

⑥国家项目“宽粒径高炉喷吹煤粉综合技术”

⑦国家‘十一五’攻关项目“超大型高炉系统工艺技术”之“超大型高炉提高喷煤量的研究”。

课题组与首钢、济钢、太钢、沙钢、北台钢铁、湘钢、石钢、宣钢等国内众多钢铁企业在提高喷煤比及煤粉基础理论研究方向有着长期合作关系，完成或正在进行的企业横向喷煤相关课题多项。

2) 高炉冶炼过程控制模型及专家系统

研究风口循环区及下部煤气运动特性，由Ergun方程矢量式导出了二维湍流气体力学性质恒定时流函数基础式的正确表示，成为煤气分布数学模型的基础，并在风口区采用电量模拟法建立矩阵解析方法及各种模型研究中取得了开拓性成果，在此基础上将温度场、压力场和流场计算，成功开发出宝钢软熔带数学模型。创造性引入人工智能机神经网络等现代计算技术，结合中国高炉监测手段不够完善，炉料波动大，炉况不稳的实际情况，开发成功不同容积高炉的人工智能1726m3高炉冶炼专家系统。图1为高炉专家系统中的基础冶金数学模型。

图1高炉专家系统中的基础冶金数学模型

已完成或正在进行的课题主要有：

①安钢300m3高炉冶炼神经网络专家系统，河南省科技进步奖；

②首钢人工智能高炉冶炼专家系统开发研究，北京市科技进步奖；

③宝钢一号高炉软融带数学模型开发研究，冶金部科技进步奖；

④国家九五重大科技攻关项目，“高炉寿命综合评价体系及预测模型”；

⑤操作平台性高炉专家系统，冶金科学技术奖一等奖。

3) 冶金资源综合利用及新流程研究

(1) 针对包头矿自身具有的铁、稀土、铌共生、难选的特点，课题组参与并创造性完成了铌资源“高炉-转炉-电炉-电炉”综合利用流程的研究，用富铌富稀土铁矿生产铌锰铁合金、稀土富渣和高磷半钢，全流程无废弃物。课题组侧重研究的铌的行为及提高铌回收率研究，首次证实了高炉炭热还原过程中铌可能被还原成NbC，以至在渣铁界面形成NbC滞留带，将阻碍铌进入铁相并可能降低铌的还原回收率，用扩散平衡法测定了NbC在炭饱和铁液中的溶解度，提出了提高渣铁温度和调整碱度等措施提高铌回收率，从而使生产指标大幅度改善。

(2)课题组在熔融还原中亦有建树。创造性应用RIST操作线原理扩展范围研究了熔融还原Fe-O-C-H体系中上部竖炉和下部铁浴操作数学模型及由二次燃烧向铁浴传热的机理等，并从技术经济相结合的角度研究了已进行工业试验的各种流程，在试验基础上，论述了具有中国特点的含碳球团竖炉-铁浴流程，提出充分利用煤气热量降低能耗及成本的“含碳球团煤气循环熔融还原”（PCG）新流程。

(3)课题组针对富氧喷煤高炉或全氧鼓风高炉与传统高炉的差别，提出了富氧喷煤高炉以及氧气高炉的数值模拟计算方法，既适用于富氧喷煤高炉也适用于氧气高炉流程，在计算过程中考虑了喷吹煤粉的种类对煤粉分解热的影响，而且在模拟计算中的直接还原度采用热力学和动力学计算而得，克服了以往的传统工艺计算过程中需要假定直接还原度的缺点。根据我国资源和现有的技术条件，课题组研究提出了从风口喷吹部分高炉炉顶煤气的LGC氧气高炉工艺。在数学模拟计算的基础上，对LGC氧气高炉进行了研究。其工艺流程图如图2所示。

图2 LGC氧气高炉流程

(4)已完成或正在进行的课题主要有：

①包头铌资源综合利用工艺及产品开发，国家科技进步奖、冶金部科技进步奖；

②国家科委攀登项目“熔融还原煤气改质的研究”；

③国家自然科学基金项目“冶金熔体中泡沫形成机理的研究”；

④OCF全氧高炉技术研究；

⑤煤气化竖炉生产海绵铁的研究。

4)高炉长寿技术相关

(1)高炉炉缸炉底

炉缸炉底状况是高炉长寿、高效的限制性环节，合理设计是实现此目标的前提，但更为重要的是在高炉投产后要能够对冷却系统及炉缸炉底的工作状态在线进行准确的监测，并对监测结果及时处理和分析，提出诊断意见和对策。

课题组已经成功开发了高炉冷却壁及炉缸炉底在线监测系统──针对不同结构、材质、监测条件以及生产操作特点的高炉冷却壁及炉缸炉底进行在线监测。实时采集冷却壁的进出水温和炉缸炉底布置的热电偶温度，结合其他生产操作参数，引入并完善“侵蚀及结厚诊断知识库”，利用传热学“正反问题”相结合的方法来对冷却壁及炉缸炉底的温度场和热流强度进行计算。进而对其侵蚀内型、渣铁壳变化、结厚及活跃状态进行判断，并据此指导相应的生产操作调节或护炉措施，以实现高炉的长寿高效。

(2)复合扁孔型铜冷却壁的研制开发

国内首次开发研制了应用于高炉的铜冷却壁，具有独立的知识产权。采用有限元法对控制微分方程、边界条件及冷却壁本体进行了离散化，应用面向对象及可视化编程技术等设计编制了铜冷却壁前处理器、求解器及后处理器，并应用热态试验结果，对计算机程序进行了调试。复合扁孔型铜冷却壁采用TU2无氧铜板铜，在制造工艺上解决了两大难题：一是深孔加工问题；二是铜和钢管焊接问题，并解决了它与相邻铸铁冷却壁的衔接和耐火材料配合问题。与国外同类产品相比，它具有冷却能力大，铜料消耗省的优点。自主开发的铜冷却壁见图3及图4所示。

图3复合扁孔型铜冷却壁          图4 铜冷却壁在首钢新2号高炉安装

(3)已完成或正在进行的课题主要有：

①武钢1号高炉炉缸炉底在线监测系统；

②济钢1号高炉炉缸炉底在线监测系统；

③美国：USS高炉炉缸炉底冷却技术研究；

④高炉铜冷却壁制造及应用获得国家科技进步二等奖，并已在多个钢厂成功应用。

5) 其它

(1) 超厚料层减荷烧结工艺，可有效解决现代烧结生产中采用厚料层低温烧结技术所带来料层阻力增加，料层透气性恶化，热量上下部分布不均等一系列问题。课题组对超厚料层减荷烧结工艺中的炭素综合利用（水和碳迁移规律、自蓄热规律及能量传递规律），多相体系中物质反应、物质迁移及能量交换规律，复杂条件下（热应力、气体腐蚀、冲刷磨损）材质的失效、破损规律（开发能够满足烧结生产恶劣工况要求的支撑板材质及生产工艺）进行了研究开发，并在三明钢厂进行了国内首次烧结减荷工业试验，取得了圆满成功。

(2)高炉解剖。为了解研究在高冶炼强度、大喷煤条件下高炉的冶炼规律，课题组与莱芜钢铁公司合作，对其128m3高炉进行了解体研究，这系国内首例生产高炉的解剖，对于指导高炉操作具有重大意义。通过解剖工作，验证已有的高炉冶炼理论，丰富高冶炼强度、高喷煤条件下的高炉冶炼规律，指导现代高炉生产操作。基于高炉解剖得到的莱钢原燃料在高炉内的行为研究，优化莱钢高炉原燃料结构及现有原燃料条件下的工艺操作制度；基于高炉本体结构的研究，探讨莱钢高强化、高喷煤下的高炉长寿技术。目前，项目已进入结题验收阶段。图5和图6为莱钢高炉解剖现场图片。

图5 解剖高炉在打水冷却               图6标定高炉中心线

实验室特色仪器设备:

目前，梯队实验室已配备有煤粉反应性研究装置、煤粉哈氏可磨性测定仪、煤粉发热值、微机灰熔性测定仪、煤粉着火点测定装置、长管式煤粉爆炸性测定装置、多功能粉体物性测定仪、煤粉粘结性指数测定仪以及新型煤粉燃烧性能测定仪、造气炉、中温管式炉（可完成焦炭热性能、铁矿石低温还原粉化性能以及中温还原性能等研究工作）、高温荷重软化熔融滴落测定装置、物体综合物性测定仪、光学显微镜以及破碎和筛分设备、马弗炉、烘箱等，可满足煤粉、焦炭、烧结矿、球团、炉渣等大部分冶金工业实验室研究工作。

1) 微机差热天平

热重法是在程序控制温度下借助热天平以获得物质的质量与温度关系的一种技术。热天平与常规分析天平一样都是称量仪器，但因其结构特殊，使其与一般天平在称量功能上有显著差别。例如，常规分析天平只能进行静态称量，即样品的质量在称量过程中是不变的，称量时的温度大多数为室温，周围气氛是大气。而热天平则不同，它能自动、连续地进行动态称量与记录，并在称量过程中能按一定的温度程序改变试样的温度，试样周围的气氛也是可控制或调节。热重法得到的是程序控制温度下物质质量与温度关系的曲线，即热重曲线（TG曲线），横坐标为温度或时间，纵坐标为质量。

课题组根据差热天平的基本原理，除完成其基本功能如：结晶水分解温度和含量测定、矿物中有价元素的变化、非晶态物质的重结晶及晶体的晶型转变研究等基本功能外，还相继开发出利用差热天平对煤粉的反应性能、燃烧性能及焦炭热性能进行研究，获得良好的实验效果。图7和图8分别为微机差热天平的结构简图和实物图。

图7微机差热天平的结构简图               图8微机差热天平实物图

2) 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置

研制模拟常规高炉直吹管内煤粉燃烧的实验装置，一直是高炉炼铁工作者渴望解决的课题。目前国内大都采用两段电加热的方法，即先采用电阻炉将冷风(空气)加热到900℃左右，再由硅碳管炉将热风进一步加热到1100℃左右，并在硅碳炉1500℃左右的高热环境中喷入煤粉，进行煤粉燃烧的研究。煤粉燃烧率（η）按下式计算：

A0及A1分别是原煤及煤粉部分燃烧后残煤的灰分，按照此式，凡煤中的挥发份一经以气态释出均算已经燃烧。

这种实验装置的最大不足是难以实现热风既高温又高速的要求，为了满足热风温度这一主要实验参数的要求，同时保证煤粉有一定的燃烧空间，一般热风速度都较低，使得气流和煤粉都仍处在层流运动状态。

新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图9，主体设备、电控制系统、气体分析仪和计算机数据监测系统四大部分组成，实验装置实物见图10。实验装置实现了热风高温高速的条件，实验操作过程基本实现自动化，且占地面积小，实验样品用量少。

图9 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理图

主体设备由低压部分和高压部分组成。低压部分包括低压一段～低压四段。低压一段可将气体加热至高炉热风的温度。低压二段相当于喷煤枪，此处的煤粉被高压部分喷出的气体瞬间喷入低压三段，低压三段模拟风口区，在这里煤粉和热风混合、燃烧。之后煤粉进入高温区域，也就是相当于风口循环区的低压四段，残碳与氧进一步燃烧。煤粉在低压四段燃烧所产生的废气，经一个耐火纤维过滤，产生的废气被自动收集到集气瓶中，然后进入气体分析仪，气体分析仪测出的废气成分数据被计算机采集。

新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置很好的模拟了煤粉在风口内的燃烧状况，通过此装置可以研究在高炉富氧工艺条件下煤粉燃烧规律以及煤粉分别与为调节理论燃烧温度需要使用冷却剂和助燃剂混喷过程中对煤粉燃烧率的变化规律。目前，新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置已申请国家专利，在首钢、济钢、湘钢及潞安矿业集团得到广泛应用，取得良好效果。

图10 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置