在国家“双碳”战略和“人工智能+”行动深入实施背景下，推动钢铁工业绿色低碳转型已成为国家重大战略需求。钢铁行业作为我国能源消耗和碳排放重点行业，碳排放量约占全国总量的16%，其中铁前工序贡献了90%以上的碳排放，是实现行业深度减排的关键环节。球团矿因具有品位高、强度大、冶金性能优异等特点，其生产过程碳排放仅为烧结工序的20%～45%，被公认为推动长流程炼铁绿色低碳发展的重要炉料。提高球团入炉比例不仅能够显著降低燃料消耗和二氧化碳排放，还可提升高炉利用效率。目前欧美国家球团入炉比例普遍超过80%，而我国不足20%，高球比冶炼已成为钢铁行业绿色低碳转型的重要发展方向，已被纳入2026年6月发布的“国家重点行业节能降碳改造三年行动计划”。

然而，我国球团生产长期面临两大关键瓶颈：一是高度依赖高品位铁精粉，优质资源供应紧张、成本持续攀升；二是高结晶水铁矿、镜铁矿、硫酸渣及复杂含铁固废等资源储量丰富、价格低廉，但因成球性能差、焙烧过程不稳定等原因难以实现高比例利用，严重制约了高球比冶炼技术推广。同时，传统球团生产普遍依赖膨润土等粘结剂和人工经验调控，优质铁精粉资源短缺、产品质量波动大、过程优化能力不足等问题，难以满足复杂原料条件下绿色高效生产需求。

针对上述行业重大挑战，项目面向复杂原料高效利用与球团智能制造需求，围绕原料预处理、无粘结剂造球、智能焙烧控制和全流程协同优化开展系统创新，构建了“机理—知识—数据”融合驱动的复杂原料球团智能生产技术体系。项目突破了球团生产长期依赖优质铁矿和粘结剂的技术局限，实现了从吃“精粮”到吃“杂粮”、从“有粘结剂造球”到“无粘结剂造球”的两大跨越；首创全球最大规模（400万吨/年）铁矿粉“干燥—立磨—分级”一体化预处理工艺与智能装备，显著提升了复杂原料适应性和资源利用效率；建立了跨工序协同优化智能决策体系，实现了复杂原料条件下全过程质量稳定控制和生产效能优化。项目行业首次实现球团矿制造成本低于烧结矿，为高球比冶炼提供了低成本、高品质炉料保障，有力支撑了钢铁行业绿色低碳转型、国家资源安全保障和“双碳”目标实现。

图1 项目技术路线

1．首创全球最大规模铁矿粉“干燥—立磨—分级”一体化预处理工艺与智能装备，突破复杂原料高效活化与低能耗预处理关键技术。建立了铁矿粉热化学活化与机械活化协同理论，揭示了高烧损矿物相结构转化及粉体表面性质演变机制，提出基于软硬矿粉硬度互补的组合干式辊磨新方法，实现粉体表面能和亲水性显著提升。研发了集动态干燥、立式辊磨、自动分级于一体的智能化装备及风险预测预警系统，建成全球最大规模（400万吨/年）铁矿粉立式干磨生产线。高烧损褐铁矿烧损值降低3～5个百分点，比表面积提高7.9倍，成球性指数提高2倍以上；粉体表面能提高30%～40%，亲水性提升50%，磨矿时间缩短50%；系统电耗不超过17 kWh/t，实现了复杂原料高效、低耗、规模化预处理。

2．开发复杂原料条件下无粘结剂智能造球与多目标协同优化关键技术体系。建立无粘结剂造球理论基础，阐明生球强度形成及热稳定性调控机理，首次实现复杂原料条件下无粘结剂稳定造球，在高比例复杂原料体系中获得优异生球性能。进一步构建多目标、多约束复杂原料智能配矿方法，建立多约束优化模型与可执行配比策略，实现配料动态调整与实时优化，赤褐铁矿占比超过70%，镜铁矿、褐铁矿及硫酸渣等低成本原料占比超过40%。同时，提出多源图像融合的自适应造球控制方法，构建生球粒径特征提取与融合模型，设计工艺参数自适应优化策略，实现造球过程智能调控，生球产量提升10%，理想粒径占比提高5%，生球落下强度提升至8～10次，实现复杂原料造球过程的高效、稳定与智能化控制。

3．构建复杂原料条件下低成本绿色化球团生产智能控制关键技术体系。针对球团焙烧过程多场耦合强、跨工序波动大与控制精度不足的问题，提出基于烟气特征的温度场与风流场协同控制方法，构建烟气特征提取与多场耦合模型，设计温度场—风流场联合优化控制策略，实现焙烧过程精准调控，温度偏差控制在±5℃以内，球团均匀性提升11.3%，脱硫能耗下降10.2%。进一步构建基于理化特性检测的跨工序质量在线补偿与动态优化方法，建立双时间尺度跨工序质量模型，实现焙烧工艺参数自适应调整，工序能耗降低15%，球团抗压强度提升6%～7%。同时，提出基于效用函数与强化学习的焙烧节奏优化方法，构建焙烧节奏时间序列模型与风险评价机制，实现安全强化学习控制与全流程优化决策，首次实现球团矿制造成本低于烧结矿，形成复杂原料条件下低成本、低碳、高稳定性的智能控制技术体系。

图2 南钢球团厂

项目实施后，实现了复杂原料高比例、高质量球团生产。吨铁矿粉预处理电耗降至16.8 kWh，较国内先进水平降低约37%；复杂原料配比提高至40%～70%，成功实现无粘结剂球团生产；单位铁品位球团生产成本较烧结矿降低1.83元，为复杂铁矿资源高效利用和高球比冶炼提供了重要技术支撑。

项目累计获得专利40项，其中授权发明专利17项；发表学术论文34篇；登记软件著作权21项；参与制定团体标准3项。项目成果先后两次通过中国钢铁工业协会组织的科技成果鉴定，均被评价为整体技术达到国际领先水平。相关成果受到人民日报、中国冶金报等权威媒体持续跟踪报道，并在第十届国际炼铁科技大会首场大会和第十五届中国钢铁年会上作专题报告，形成了广泛行业影响力。

目前，全国高炉平均球团入炉比例约为16%。若提升至40%，预计可新增球团产量约4亿吨，利用复杂铁矿资源约2.8亿吨，有效缓解我国优质铁矿资源短缺问题。采用本项目技术后，可节省球团生产成本约453.8亿元，实现CO?减排约4932万吨；同时，高球比冶炼可新增经济效益约160亿元，具有显著的经济价值、生态价值和战略价值。

项目成果已在6家企业推广应用，近三年累计实现直接经济效益20.68亿元。同时，在技术赋能、清洁生产、应用示范、产业升级、“双碳”目标支撑和资源安全保障等方面取得了显著社会效益，为推动钢铁行业绿色低碳转型和高质量发展提供了重要科技支撑，具有广阔的推广应用前景。

本项目主要完成单位为南京钢铁股份有限公司、北京科技大学、中南大学、大峘集团有限公司、江苏金恒信息科技股份有限公司和中冶赛迪信息技术（重庆）有限公司。