一、研究的背景与问题

包括鞍钢在内的传统老钢铁企业炼铁炼钢区段存在铁水散热快、装不满、称不准、送不精、周转慢、温降大、效率低、污染重、隐患多等问题，其主要原因包括：

1、在高炉出铁环节高炉摆动流嘴下方到铁水罐之间通常无有效的保温防护措施，出铁期间有3.5米长的铁水流暴露在空气中，高温铁水的热辐射和对流热损失明显，温度损失约为50℃～70℃，占鞍钢铁钢界面全部温度损失的27%～38%。该位置伴随着铁水流与摆动流嘴、铁水罐的强烈冲击，渣铁和烟尘量大，环保和安全问题突出，是目前为止铁钢界面唯一没有采取对应措施的环节；

2、铁水罐车是运输铁水的专用车辆，传统是用内燃机车将铁水罐牵引就位,人工进入炉下现场观察逐个指挥罐车就位,然后要在罐车的前后轮处人工安放铁鞋防止罐车溜车,然后再逐个出铁，操作时间长、效率低、浪费机车能源，且存在铁水喷溅等安全风险，研制遥控操作的智能铁水牵引车一直被业内所期待；

3、包括鞍钢在内的传统大型钢铁企业铁水运输“一罐到底”的比例并不理想，目前的直兑率只有不到30%，铁水运输传搁时间达65分钟以上，该过程铁水温度损失达185℃以上；

4、输环节仍有110多台传统的桶式敞口铁水罐运输铁水，占运输量的60%以上，铁水罐敞口运输必然会造成铁水温度损失，空罐返回受铁时内衬热量损失尤其严重，按照铁水温降速率1.0℃/min计算达185℃以上，铁水散热快污染大，据调查包括鞍钢在内全国有相当大数量的钢铁企业铁钢界面处于三级能效以下的水平。实施铁水罐全程加盖保温运输一直是各钢铁企业尝试的目标；

上述问题和研究内容贯穿炼铁炼钢区段全过程，据此鞍钢于2014年开始陆续开展炼铁炼钢区段全过程深度节能新技术的开发与应用工作。

二、解决问题的思路与技术方案

项目针对鞍钢高炉和转炉数量多、布局分散、规格复杂、交叉运输导致铁水运行效率低温降大的难题，围绕高炉出铁保温、铁水罐车智能牵引、铁水精准称重、靶向输送、铁水罐加盖全程保温等方面开展技术攻关，旨在减少铁水及钢水的过程温降，从而实现炼铁炼钢区段全过程的深度节能，解决问题的思路如图1所示。

 图1 项目思路

1.自主开发出随罐车行走的枕簧式称重设备替代工作不稳定的地秤，实现铁水不受环境因素干扰精准称重，提高铁水的满罐率，为钢铁行业首创。

2.自主开发出高炉炉下铁水保温罩技术装置，在高炉出铁流嘴下方到铁水罐口之间对暴露的铁水流进行保温并控制除尘气流，有效减少铁水辐射和对流热损失，降低铁水温降，补齐了铁钢界面节能技术的短板。

3.自主开发出铁水靶向定量输送技术，按照转炉属性需求和生产节奏合理确定高炉铁水盛装重量、输送目标和运输路径，实施将“源源不断向炼钢厂提供铁水”转变为“根据下道工序需求精准出铁与运输”的技术思想，从高炉出铁开始确定铁水生产配送目标和单重，提高铁水输送精准度，运输实现“直送+接力”新运输模式，减少铁水传搁时间和折铁次数，解决鞍钢老区高炉和转炉数量多、规格复杂、布局分散、运输交叉输送效率低的难题，有效提高转炉兑铁温度。

4.自主开发出首台套高炉无人驾驶智能对位铁水牵引车（俗称”铁牛“）代替传统内燃机车，通过远程数字VR加5G视频技术建模及遥控对位实现高炉炉下铁水罐识别和智能精准定位，铁水分装安全联锁实现自动摘挂钩取消炉下作业，减少动力能源的无谓消耗和人车接触保证人员安全，提高高炉出铁运行效率。

5.提出了注重对铁水罐空罐期保温技术思想，针对敞口铁水罐运输难题揭示了红热空铁水罐热量损失规律，自主开发出对开式铁水罐盖装置和保温技术，具有“全开吊装”、“半开受铁”、“全闭保温”功能，有效提高了铁水兑转炉的实际温度。

6.以上五项技术和装备的有效集成创新是本项目的整体创新点，通过系统的集成，全面提高铁水和钢水周转效率，降低过程温降，有效减少铁水和钢水运输时间和传搁过程热量损失，提高终点温度，实现了物质流的“定向、定量、可靠、高效、快捷、高温”输送，全部是首台套创新技术和新装备应用。

三、主要创新性成果

1 枕簧式铁水称重装置开发

研发的新型称重装置随罐车行走，更换、标定方便，根据现场岗位人员要求将出铁量误差目标控制在2.5吨以内，解决了轨道衡受损后长周期称重误差偏大的问题，安装在罐车上的称重设备对炼铁出铁过程和生产组织没有任何影响。枕簧式铁水称重装置见图2所示。

 图2 枕簧式铁水称重装置

枕簧式铁水称重装置工作过程中同一铁次罐内铁水重量显示情况见图3～图5，图中大屏幕显示的是原高炉下轨道衡的计量情况，下面仪表显示的是枕簧式铁水称重装置在出铁过程中记录的铁水重量变化情况。

图3 罐车起点值

图4 罐车过程值

图5 罐车终点值

通过分析运行记录，使用枕簧式铁水称重装置得到的估铁量试验结果与（厂际）地重衡的检斤结果的偏差逐渐减少，直至试验所有枕簧式铁水称重装置估铁量的试验结果与（厂际）地重衡的检斤结果偏差达到单罐铁水称重平均误差不大于±2.5吨的目标要求。

2 高炉炉下保温罩装置技术

高炉炉下保温罩由捕集罩、侧除尘管道和调节阀以及铁流隔离器组成，保温罩装置在高炉下利用流嘴底座、炉下钢结构基础与框架固定铁流隔离器和捕集罩。结构见图6，各结构作用如下：

（1）在流嘴下方增设隔离器，减少溜嘴下方铁流的换热面积。

（2）在高炉平台下增设捕集罩，一是避免铁水飞溅过远，二是减少冷空气吸入量，提高风机除尘效率，进一步改善周围环境。

（3）增设除尘管道和翻板阀，使风量可调节，平衡除尘系统效率，避免片面增加除尘风量导致铁水温度损失。

图6 炉下保温装置主体结构示意图

高炉炉下保温罩装置工业试验在炼铁厂5#高炉进行，出铁过程中使用高炉炉下保温罩时铁水出铁沟温度与保温罩下温度差为25.1℃，较使用前提高铁水温度12.7℃。具体效果如图7。

图7 使用新型保温装置与敞口运输铁水温降对比分析

使用高炉炉下保温罩改善了高炉出铁场生产环境，避免了出铁过程中渣铁飞溅过远、伤及炉下操作人员和设备的安全难题。

3 铁水靶向定量精准输送技术

基于铁水罐数字化识别技术的铁水罐预排分配定向输送技术将铁水分配问题归结为带有时间窗口的并行机调度问题：n个工件在m台并行机上加工，每个工件具有时间窗口、加工时间以及权重，工件要求在时间窗口内开始加工，目标为最小化总完成时间。建立混合整数规划，使用基于数学规划的算法予以实时求解，得到在线铁水分配方案。

根据高炉出铁情况以及转炉生产情况，对铁水罐的空罐配罐进行计划预排，确定出铁完成的重罐铁水罐的去向。如图8，图9所示。

图8 铁水罐数字化识别及周转情况

图9 铁水定向输送效果

实施高炉铁水精准定向输送对应关系如图10。

 图10 实施后高炉铁水精准定向输送对应关系

实施铁水靶向定量精准输送，鞍钢股份炼钢总厂四分厂转炉兑铁温度由2016年的1336℃提高到2018年的1345℃，兑铁温度提高9℃；减少鱼雷罐运营数量13.3%。达到提高兑铁温度6℃；减少鱼雷罐运营数量10%。

4 研发高炉铁水罐智能对位牵引车

研发的高炉铁水罐智能对位牵引车代替内燃机车在炉下配罐作业，该牵引车必须符合铁路所有限量、必须能够通过所有标准轨距的铁路线路。它主要由走行装置、车架、车棚、配重装置、扫轨器及电气控制装置等组成。如图11、图12所示。

图11 铁水牵引车

图12 供电架线

炉上智能对位遥控控制系统由操作台、手持遥控器和运行状态显示灯等组成。其中：

（1）操作台的设计:操作台安装在高炉炉上的炮室内，作为炉上控制系统的核心，控制牵引车完成出铁对位作业。

（2）采用专业工业遥控器，通过无线数字通讯系统进行遥控控制，实现牵引车无人操作，保证了炉下人员的安全，减少作岗位。如图13所示。

图13 智能对位牵引车工业遥控器

2014年5月在鞍钢4座高炉配置智能对位牵引车，技术实施后减少8台再调作业机车，减少岗位作业人员16名，提高运输效率和劳动生产率的同时降低成本支出。

5 研制对开式铁水罐盖装置

创新设计的对开式铁水罐罐盖装置结构见图14。二瓣对开式铁水罐罐盖可以水平移动，同时各自都具有开启和关闭功能。

图14 对开式铁水罐罐盖装置结构示意图

2017年3月根据公司要求和实验情况，鞍钢共投入了35台对开式铁水保温装置进行生产实验，设备运行状态见图15所示。

图15 铁水罐盖装置运行情况

铁水加盖运输温降速度0.8℃/min，不加盖运输温降速度1.0℃/min，降幅20%，见图16。

 图16 大生产推广运输试验铁水温降结果

项目开发过程中完成授权发明专利7项、实用新型专利6项，见表1。认定鞍钢集团专有技术2项，发表论文4篇，见表2。完成团体标准1项。经辽宁省金属学会评价委员会鉴定，“枕簧式铁水称重技术”达到国际领先水平，获得集团公司级以上奖励3项，见表3。

表1 项目专利情况表

表2 项目相关论文发表之后被引用的情况表

表3 获得集团公司级以上奖励情况

四、应用情况与效果

该项目围绕炼铁炼钢区段全过程温度极致控制，开展了高炉安全满罐出铁和铁水靶向精准输送、铁水加盖保温运输、高炉铁水出铁过程加罩保温、智能对位牵引等多项技术攻关。项目实施后缩短了铁水空罐和重罐的运行时间，提高了铁水罐周转率，常规敞口铁水罐周转率由2.8次/日提高到3.5次/日，鱼雷罐周转率由2.6次/日提高到3.2次/日，铁水温降由1.0℃/min降低到0.8℃/min，减少铁水温降21.3℃。该项目有效解决了铁水生产运输过程中散热大、温降快、称不准、送不精、装不满、周转慢、效率低、污染重、隐患多的问题，首次在钢铁行业开发并应用，实现经济效益45000万元。

1 智能对位铁水牵引车应用情况

项目中关键技术“智能对位铁水牵引车”在多家单位得到推广应用，情况如表4所列：

表4   “智能对位铁水牵引车”技术推广情况

“智能对位铁水牵引车”推广应用的部分合同见图16。

图17 “智能对位铁水牵引车”推广应用的部分合同

“智能对位铁水牵引车”技术的成功推广，受到国内广泛关注，并进行了多篇新闻报道，如图17所示。

图18 有关项目的新闻报道

项目有关铁钢界面技术推广应用情况见表5。

表5 项目有关铁钢界面技术推广应用情况

为落实能效标杆三年行动，鞍山钢铁公司2023年审批放行了极致能效项目库。本项目的成果和示范效应被认可列入项目库推广，见表6。

表6 本项目列入鞍山钢铁公司极致能效项目库的成果

该技术内部可整体移植到鞍钢本部、朝阳钢铁、鲅鱼圈、本溪钢铁及攀枝花钢铁集团，鞍山钢铁年内部潜在效益4亿元以上。外部可选择性的在宝武公司、京唐、沙钢等钢铁联合企业推广应用，对企业节能减排和降低环境污染以及极致能效发挥积极作用。

信息来源：鞍钢股份有限公司