一、研究的背景与问题
在炼钢过程中，铁合金是主要原辅料之一，是炼钢脱氧和合金化的关键原料。2024年我国铁合金产量为3624.3万吨，需求量超过4000万吨，其中钢铁行业产量巨大，是铁合金的主要使用领域。此外，铁合金的生产消耗了大量的能源和资源，以铝为例，生产1吨铝用电量超过1.3万度。因此，在“双碳”目标背景下，对炼钢过程中铁合金使用的控制与研究，不仅是提升钢质量和降低成本的保证，更是降低炼钢过程碳排放与绿色低碳炼钢的关键。
目前炼钢生产普遍存在合金收得率较低与钢液成分控制不稳定等问题，具有较大的提升潜力。通过调研国内外先进钢铁企业的数据，发现硅元素收得率国内外先进水平为80%-90%；锰元素收得率国内外先进水平为78%-95%。造成该问题的主要原因如下：① 对铁合金质量及对收得率的影响研究不深入；② 对炼钢过程中铁合金收得率影响因素的研究与炼钢工艺结合不密切；③ 对由于炼钢炉次间隙、辅料波动性导致的铁合金用量变化响应不及时。
针对上述问题，北京科技大学包燕平教授课题组自2019年1月起，在国家自然科学基金和校企合作项目的支持下，结合课题组在炼钢技术方面多年的研究基础，从以下三个方面入手展开研究：① 以合金质量为基础，将其抗碎裂性、熔化行为、“钢液-熔渣”、“钢液-气氛”间的物质传输机理等与炼钢合金收得率紧密结合，并融合炼钢工艺流程与高品质钢生产技术，形成以转鼓指数为特征的铁合金综合性能量化评价方法与成分稳定性控制关键技术；② 通过深度融合冶金机理模型与数据驱动算法，实现智能化在传统工艺上的改造应用，开发了集铁合金综合评价、成分稳定控制、智能预测与配料决策于一体的“铁合金物料智能化集成控制平台”，构建了覆盖转炉至精炼全流程的闭环管控架构，实现了从经验决策向数据驱动智能决策的跨越；③ 以“低碳、绿色”炼钢为出发点，通过合金使用机理解析、大数据分析及工业智能化模块构建，显著提升生产过程的稳定性与响应速度，为钢铁企业实现绿色低碳生产提供强有力的技术支撑。
针对以上行业共性难题，实现了从合金源头品质把控、过程精准控制到炼钢终点成分精准管控的跨越，为提升我国高端钢铁材料的产品质量一致性与成本竞争力提供坚实的技术支撑，并推动制造业高质量发展，助力绿色转型的战略需求。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目通过对炼钢过程及合金使用情况的解析，从铁合金自身特征与性能入手，结合炼钢中操作制度、过程控制及其与铁合金使用情况的交互作用，形成了三项关键技术：（1）转鼓指数为特征的铁合金综合性能量化评价方法和优选使用关键技术；（2）炼钢用铁合金多相物质传输机理及合金成分稳定性控制关键技术；（3）炼钢过程关键参数智能化预测及合金配料优化决策技术。基于以上三项关键技术的应用，形成了炼钢过程铁合金减量化关键技术集成及铁合金物料智能化集成控制平台，从源头控制铁合金的损耗，提高了铁合金的收得率，降低了生产成本，并大幅度减少了炼钢过程中的碳排放。项目技术路线如图1所示。
图1 技术路线图
三、主要创新性成果
1、以提高铁合金收得率和精准控制为目标，建立了以铁合金转鼓指数为特征的量化评价方法并形成合金品质数据库，实现了对铁合金成分、杂质含量、粉化性能、使用成本等因素的快速综合评价，评价结果对铁合金选择及高品质钢合金化精准控制具有重要指导作用。转鼓实验装置如图2，转鼓前后铁合金宏观形态对比如图3。
图2 合金抗碎性和耐磨性评价转鼓实验装置图
图3 转鼓前后铁合金宏观形态对比
2、明晰了影响合金收得率的关键因素，解析冶炼过程中发生的合金元素溶解与挥发行为，明晰关键合金元素在“钢液-气氛”间的物质传输机理，定量化描述不同冶炼工艺下合金元素发生挥发的临界条件与挥发量，实现合金加入过程的窄成分控制关键技术。20CrMnTi中Mn含量波动范围从±0.04%降低至±0.02%，Cr元素含量波动范围从±0.03%降低至±0.02%，C元素含量波动范围稳定在±0.01%。
图4 锰元素在钢液中挥发与气相压力的关系
3、开发了包括铁合金综合评价模块、铁合金加入制度化与工艺卡开发模块、铁合金使用与成本监控模块在内的铁合金物料智能化集成控制平台，实现了以成分精准、钢液质量及成本控制为目标的合金化实时优化决策系统。合金平均收得率显著提高，其中锰元素提高至99.0%（如图5所示）；硅元素提高至92.0%。
图5 Mn元素收得率对比
四、应用情况与效果
该成果已申请国家发明专利17项（其中12项已授权，包括2项国际专利），发表学术论文20篇，软件著作权6件。形成了一整套具有自主知识产权的基于智能决策的高品质钢合金化精准控制的关键技术。该成果自2019年1月开始研制，已分别在大冶特殊钢有限公司等7家国内钢铁企业进行推广应用，为企业提供了以转鼓指数为特征的铁合金综合性能量化评价方法和优选使用关键技术，为合金的选择与使用提供依据。在以上企业的应用过程中，显著降低了炼钢过程的合金消耗，提高了合金收得率，近三年节约合金消耗超过6亿元人民币，显著提高了炼钢窄成分控制水平，进一步提高了炼钢生产的智能化水平。
信息来源：北京科技大学
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