钢铁工业是国民经济的支柱产业，其绿色、低碳、高效发展是国家“双碳”战略和制造业转型升级的核心环节。高炉炼铁作为长流程钢铁生产的能耗与排放集中环节，其运行效率关系到行业竞争力。实现大型高炉高效低碳冶炼核心矛盾在于：原料端：高炉强化冶炼与原燃料条件剧烈波动之间的不兼容性，使入炉料柱透气性、软熔带位置难以稳定。操作端：为追求强化冶炼易引发炉内压差升高、煤气流分布复杂化，极易引发悬料、管道等失常炉况。设备端：强化冶炼带来的高热负荷、高机械负荷、高磨蚀环境，对关键设备造成极限考验。

本项目立足于国产资源高效利用与高炉冶炼技术进步，围绕高炉高效低碳冶炼的目标，系统开展高炉炉料结构优化、布料精准控制、高效低碳操作及智能运维等关键技术研究。项目的实施对于突破高炉高效冶炼技术瓶颈、降低能源消耗与环境污染、增强我国钢铁工业核心竞争力具有重要的战略意义和现实价值，可为行业绿色转型与可持续发展提供有力的技术支撑。

本项目围绕大型高炉高效低碳冶炼关键共性技术集成创新，实现高炉长周期高效低碳稳定顺行的总体目标，通过原料特性实验研究分析、操作工艺优化、数字孪生建模、智能化控制与工业应用相结合，构建了从原料到操作、从控制到维护的全流程技术体系，实现了高炉冶炼过程的精准调控与高效稳定运行。

首钢股份迁钢3座高炉投产至今已连续生产22、19和16年。为实现超低排放对烧结机、带式焙烧机进行了技术升级改造。以炉料结构优化、中高硅铁矿资源的高效利用、含镁碱性球团的制备、高炉无料钟炉顶多元炉料条件下的动态精准布料、高炉强化冶炼共性技术集成创新、高炉设备设施智能化监控和运维为核心，开展了持续的研究和技术攻关，取得了显著的应用成效和运行实绩，本项目研发技术路线见图1。

1）构建了炼铁工序一体化低碳炉料技术体系，形成了中高硅含镁碱性复合球团+酸性球团+高碱度烧结矿+块矿的四元炉料结构。研发出中高硅碱性复合球团成分、组织及矿相协同调控技术。首创中高硅含镁碱性复合球团制备工艺及关键技术。

研究揭示了复合炉料高温冶金性能的变化机理和规律，建立了以炉料高温冶金性能为核心的炉料质量控制及性能评价标准，如图2所示。首创开发出中高硅含镁碱性球团生产工艺及技术，SiO₂含量为3~5%时，MgO含量达1.7%，抗压强度达3000N/P，还原膨胀率达12%以下，还原性达到80%以上。首创大型烧结机烟气内外循环耦合、环冷机余热全量回收利用均质化烧结技术。烧结矿还原性达到83%、FeO含量8.2%、平均粒度≥20mm、转鼓强度达到85%、返矿率降低至10.3%，工序能耗降低到38.98 kgce/t。

图2 不同炉料结构熔滴性能预测

2）首创大型高炉多元炉料动态精准分布控制关键技术。研发出实现炉料与煤气之间动态耦合与协同优化的“扩大矿批+加宽平台+中心加焦”精准布料技术；基于智能化三维扫描开发了炉料空间结构与形态的精准测量与数字化孪生成像技术；建立了煤气流中心发展与边缘协调的操作模型，开发了煤气流稳态调控与能效最优动态寻优技术。

项目团队开发并应用了大型高炉多元复合炉料动态精准分布控制技术。该技术体系以智能化三维扫描与数字化孪生技术，在此基础上，开发了“扩大矿批+拓宽平台+中心加焦”的动态精准布料模型与控制技术，并创建了与之匹配的“中心发展与边缘协调”的煤气流操作模型，如图3所示，成功解决了高负荷、高效率冶炼条件下的炉况稳定控制难题。

图3 多元复合炉料冶炼条件下炉内传输现象解析

3）开发了高炉高效低碳冶炼操作关键共性集成技术。研究了高顶压、高风温、高富氧、大喷煤、脱湿鼓风对高炉冶炼过程影响机理和作用机制，开发了多元参数协同优化的高效低碳冶炼操作技术。高炉顶压≥0.27MPa，风温≥1240℃，富氧率≥7.25%，渣量降低到280~290kg/t，因燃料比降低CO₂减排110kg/t。并开发建立了炉缸活跃性评价模型，精确判断和预测高炉工作状态、热量储备、死焦柱状态等操作参数，见图4。

图4 高炉炉缸活跃性评价模型

4）创建了高炉设备长期服役智能监控和运行维护技术体系。构建了高炉工艺和设备智能化管控平台，研发出高炉顺行评价模型、送风系统AI巡检、智慧主沟监测、炉顶自动润滑及密封阀动态调节等智能化技术，炉役末期送风故障预警时效提升70%，主沟、风口寿命分别延长30%、80%。

结合自身炉役中后期特点，发明并应用无料钟炉顶布料溜槽角度控制技术和方法，开发出炉顶气密箱维护关键技术，延长气密箱的使用寿命达到5年以上；优化无料钟炉顶中心喉管和布料溜槽的内衬结构，使用寿命均超过18月以上；开发出抗高压耐磨型密封技术，寿命达到2年以上，设备检修周期延长≥60%；创新研发出高效冷却强化型长寿风口结构，使用寿命提升80%以上。开发出高炉智能巡检与在线诊断及监控平台，实现对高炉设备异常风险的智能化实时感知与精准监控。

（1）高质量炉料制备先进技术达到国际领先

1）项目立足于国产中高硅精矿粉资源，创新性地研发了“中高硅含镁碱性球团+酸性球团+高碱度烧结矿+块矿”的四元炉料结构体系。项目针对本地资源SiO₂含量偏高的特点，研发出低品质铁矿粉，制备出性能优异的中高硅含镁碱性复合球团。带式焙烧机生产碱性球团矿条件下利用系数达到1.0t/(m²·h)，皂土消耗仅为7.62kg/t，均达到相同生产条件下国际领先水平，高炉球团矿入炉比例长期稳定在45%及以上水平。

2）项目首创大型烧结机烟气内外循环耦合、环冷机余热全量回收利用均质化烧结技术，烧结过程强化混合-制粒、厚料层烧结等关键集成创新技术，在烧结矿2.3高碱度条件下，烧结矿转鼓指数达到85%以上，平均粒径保持在20mm以上，达到国际领先水平。在循环废料和磁精粉配加比例较高的条件下，3号烧结机利用系数达到1.39t/(m²·h)，最高达到1.45 t/(m²·h)。2号烧结机获得2024年全国冠军炉。详见表2。

表2  360m²烧结机技术经济指标比较

（2）高炉高效低碳生产达到国际领先水平

根据2025年累积经济技术指标情况，在国内外2500m³级高炉生产技术指标中，首钢股份1号、2号高炉入炉焦比、焦炭负荷、利用系数等经济技术指标均达到并保持国内外同级高炉的领先水平。其中2号高炉利用系数达到2.8t/(m³·d)（见图6），焦比降低至277kg/t，焦炭负荷达到5.78，均为国内外同级先进高炉中最优，如表3所示，2号高炉多次获得全国冠军炉。

图6  2500m³级高炉利用系数情况对比

在国内外4000m³级以上高炉生产技术指标中，首钢股份3号高炉入炉焦比、焦炭负荷、利用系数等经济技术指标均达到保持国内外同级高炉领先水平。利用系数最高达到2.8t/(m³·d)（见图7），在所统计的国内外同级高炉中位列第1；焦比降至267kg/t，焦炭负荷达到6.0以上，为国内同级高炉指标最优，如表4所示。

图7  4000m³级高炉利用系数情况对比

（3）绿色低碳超低排放达到领先水平

本项目的应用实现了炼铁全流程协同降碳的目标，首钢股份带式焙烧机产线生产碱性球团矿工序能耗20.70kgce/t，8号烧结机固体燃料消耗32.48kgce/t，2号、3号高炉工序能耗分别完成358.03kgce/t、355.33kgce/t，均处于行业领先水平。三座高炉燃料比降低到495kg/t，工序能耗降低到358.51kgce/t，因燃料比降低使吨铁CO₂排放降低110kg/t。

（4）高炉及设备运行实现安全长寿达到国际领先

项目针对炉役中后期生产特点，创建了复杂生产条件下高炉设备长期服役智能监控和运行维护系统，有力支撑了三座高炉的长周期高顺平稳定运行，高炉寿命分别达到22年、19年和16年。如图8所示，三座高炉铁在炉役中后期产量仍不断取得突破，2025年高效生产达到917万吨的产量，创造了历史最高产量。

图8  三座高炉近年产铁量实绩