赵东辉

（湖北金盛兰冶金科技有限公司）

摘要：湖北金盛兰冶金科技有限公司作为华中地区重要的长流程钢铁生产企业，近年来在“双碳”战略与行业高质量发展要求的双重指引下，针对铁前烧结、球团工序长期存在的能耗偏高、碳排放强度大、智能化水平不足、设备运行稳定性有待提升等痛点问题，系统性推进了多维度的技术改造与工艺创新。本文结合企业生产实际工况，围绕烧结机点火炉自动烧炉优化、烧结终点智能预测、低软熔带操作模式创新、烟气内循环与余热梯级利用等多个核心技术方向展开深入研究，全面梳理了先进技术在金盛兰的落地路径、应用效果与优化经验。实践结果表明，通过全链条的工艺革新、装备升级与数智赋能，企业铁前工序实现了烧结利用系数提升12.3%、球团工序能耗降至13.8kgce/t、吨铁碳排放较改造前降低18.7kg的显著成效，同时污染物排放指标全面优于国家超低排放标准，形成了适配华中地区中小规模钢铁企业的铁前系统绿色低碳智能化升级样板，为行业同类企业的技术改造提供了可复制、可推广的实践参考。

关键词：铁前工序；烧结球团；绿色低碳；智能化升级；余热梯级利用

1  绪论

1.1 行业发展背景与企业现状

我国钢铁行业以高炉-转炉长流程生产工艺为主导，占全行业粗钢产量的90%以上，而铁前烧结、球团工序作为长流程生产的核心环节，其能耗占钢铁生产总能耗的70%以上，碳排放占比超过60%，是全行业实现节能降碳、提质增效的关键突破口。近年来国家先后出台《产业结构调整指导目录（2024年本）》《国家重点推广的低碳技术目录》等政策文件，将带式焙烧高效球团生产、高炉高比例球团冶炼、铁前工序低碳智能化改造列为鼓励类发展方向，为行业技术升级指明了清晰路径。

湖北金盛兰冶金科技有限公司位于湖北省咸宁市，是华中地区极具代表性的民营长流程钢铁企业，具备年产500万吨钢的生产能力。在改造前，企业铁前系统长期面临多方面的发展瓶颈：200m²及360m²烧结机仍采用传统人工手动控制点火炉的操作模式，空燃比匹配精度差，点火煤气消耗居高不下；烧结终点依赖岗位工经验判断，波动幅度大，烧结矿成品率长期维持在82%左右；高炉冶炼过程中软熔带位置偏高、形态不稳定，导致料柱透气性差，炉况顺行率不足90%；烧结、球团工序的余热资源回收利用率仅为45%，大量中低温余热直接排放，能源浪费严重；同时工序智能化水平偏低，关键设备故障预警滞后，非计划停机时间占比达到3.2%，整体技术指标与行业先进水平存在明显差距。

随着国内钢铁行业竞争加剧以及碳减排、超低排放要求的不断收紧，金盛兰冶金迫切需要通过系统性的技术改造，破解资源保障、成本管控与低碳转型的多重约束，实现企业的高质量可持续发展。基于此，企业结合自身原燃料条件、装备基础与生产实际需求，针对性选取多项行业前沿技术开展落地应用，逐步构建起绿色、低碳、智慧的新型铁前生产体系。

1.2 研究意义与技术路线

本次研究紧密贴合湖北金盛兰冶金的生产实际，不盲目照搬行业头部企业的先进经验，而是以“低成本改造、高效益落地、全链条协同”为核心原则，将多项技术方向划分为工艺优化类、装备升级类、数智赋能类三大板块，分阶段推进实施。第一阶段聚焦基础工艺优化，完成点火炉、烧结终点控制、装料制度等核心操作环节的调整，快速实现提产降耗的初步效果；第二阶段推进余热回收、减污降碳类技术的落地，搭建全流程余热梯级利用体系，大幅降低工序能耗与污染物排放；第三阶段完成智能化系统的全面部署，实现关键工序的智能管控、设备远程运维与全生产流程的协同优化。通过三年的分步实施，最终实现铁前系统的全方位升级，为企业创造显著的经济效益、环保效益与社会效益。

2  烧结核心工序工艺优化与技术创新

2.1 烧结机点火炉自动烧炉系统优化

2.1.1 原系统存在的痛点问题

改造前金盛兰200m²及360m²烧结机的点火炉完全依靠岗位工人工调节煤气流量与助燃风量，空燃比长期处于不合理状态：为避免点火温度不足，操作人员普遍采用过量配风的操作方式，导致点火炉烟气氧含量长期超过18%，大量热量被过剩冷空气带走，点火煤气单耗高达2.1m³/t，同时点火温度波动幅度超过±80℃，造成烧结料面点火不均匀，表层烧结矿强度差，返矿率居高不下。此外人工操作的滞后性明显，在料速、料层厚度发生变化时，无法及时调整燃烧参数，进一步加剧了生产过程的不稳定。

2.1.2 自动烧炉系统的改造方案

本次优化为点火炉配备了全流程闭环自动控制系统，在点火炉的每个烧嘴区域安装高精度温度传感器、煤气流量调节阀与助燃风变频调节装置，构建基于空燃比精准匹配的智能燃烧模型。系统根据实时检测的点火段温度、料层厚度、机速、混合料水分等参数，自动动态调整煤气供给量与助燃风量，将点火温度稳定控制在1050℃±30℃的最优区间，同时通过烟气氧含量反馈修正空燃比，将点火炉烟气氧含量精准控制在6%~8%的合理范围，杜绝无效的过剩空气掺混。

同时针对点火炉的炉体结构进行配套优化，采用新型耐火喷涂料对炉墙进行整体保温密封，减少炉体散热损失，将点火炉的热效率提升20%以上。改造后系统还新增了燃烧异常自动预警功能，当出现煤气压力波动、烧嘴堵塞等异常工况时，系统自动触发声光报警并联动调整参数，避免出现点火温度大幅波动的情况。

2.1.3 应用效果分析

点火炉自动烧炉系统投用后，金盛兰烧结工序的点火煤气单耗从2.1m³/t降至1.2m³/t，年节省煤气消耗超过180万立方米，点火温度的稳定率达到98%以上，表层烧结矿的转鼓强度提升了3.5个百分点，烧结返矿率降低2.1个百分点，每年可直接创造经济效益超过320万元。

2.2 烧结终点（BTP）的智能预测与优化控制

烧结终点是决定烧结矿成品质量与生产效率的核心参数，金盛兰引入基于大数据算法的烧结终点智能预测系统，在烧结机尾部设置多点红外温度检测阵列，结合主抽风机负压、机速、料层厚度、混合料碳含量等数十项实时生产数据，构建LSTM神经网络预测模型，可提前3~5分钟精准预测烧结终点的位置变化，预测误差控制在±0.2m范围内。系统根据预测结果自动联动调整烧结机机速，将烧结终点稳定控制在烧结机尾部倒数第二个风箱的位置，彻底改变了以往人工滞后调节的操作模式。投用后烧结机利用系数提升0.22t/(m²·h)，烧结矿成品率从82%提升至91.5%，有效减少了烧结“过烧”与“欠烧”现象的发生。

2.3 烧结大富氧技术应用案例

为进一步提升烧结机的生产效率，金盛兰在200m²烧结机实施了大富氧改造，在点火炉与烧结机前段的风箱位置配套增设富氧供给系统，将烧结机机面的氧气浓度从常规的21%提升至25%~27%。高浓度的氧气环境大幅加快了混合料中碳的燃烧速度，烧结过程的垂直烧结速度提升18%，在相同的料层厚度条件下，烧结机利用系数进一步提升至1.85t/(m²·h)。同时富氧烧结让混合料中的碳燃烧更加充分，固体燃料消耗降低3.2kg/t，烧结矿中的FeO含量稳定控制在7%~9%的合理区间，烧结矿的还原性能得到显著改善，为后续高炉工序的降焦比创造了有利条件。

2.4 烧结烟气一氧化碳（CO）治理技术

针对烧结工序烟气中CO浓度偏高、无法满足超低排放要求的问题，金盛兰采用“低温催化氧化+烟气循环”的协同治理技术，在烧结主抽风机出口设置低温CO催化氧化装置，在180~220℃的温度区间内，通过专用催化剂将烟气中的CO高效氧化为CO₂，CO脱除效率达到95%以上。同时将部分处理后的低CO浓度烟气循环返回烧结机料面，替代部分新鲜空气参与烧结过程，既减少了外排烟气量，又利用烟气中残留的CO在料层内二次燃烧释放热量，进一步降低了烧结固体燃料消耗。改造后烧结烟气外排CO浓度稳定低于50mg/m³，远优于国家规定的超低排放限值，每年可减少CO排放量超过120吨。

2.5 烧结漏风与设备密封保温技术

烧结系统漏风是长期困扰行业的共性难题，金盛兰对2台烧结机开展了全面的漏风专项治理：针对风箱与台车底梁的间隙、台车滑道、炉罩连接法兰等5大核心漏风点，采用新型专有密封技术，取消传统的水冷密封结构，加装柔性耐磨密封件，同时对所有工艺风管道进行整体保温密封，大幅降低系统漏风率。改造后烧结机的整体漏风率从改造前的48%降至28%，主抽风机的用电单耗降低3.8kWh/t，每年可节省电耗超过800万kWh，同时烧结系统的热量散失大幅减少，为后续的余热回收系统高效运行提供了良好基础。

2.6 烧结矿冷却状态在线监测与优化

金盛兰在2台烧结机配套的环冷机上部署了全域温度在线监测系统，采用红外热成像与分布式光纤测温相结合的技术，实时获取环冷机台车上不同区域烧结矿的温度分布数据，精准判断料层的均匀性与冷却状态。系统根据监测结果自动调整环冷机各段冷却风机的风量，在保证烧结矿冷却终温稳定低于150℃的前提下，最大限度减少不必要的冷却风供给，同时将环冷机高温段的余热烟气精准导向余热锅炉，提升余热蒸汽的产量。改造后环冷机的冷却风机电耗降低15%，环冷机余热回收效率提升22%，有效避免了以往冷却不均导致的红矿运输安全隐患。

3  高炉高球比冶炼与低软熔带操作创新

3.1 低软熔带操作模式的创新应用

3.1.1 传统操作模式的痛点

在改造前，金盛兰高炉长期采用常规的上部装料制度，软熔带形态不稳定，多呈现W形甚至边缘过度发展的V形，软熔带位置偏高、厚度大，“焦窗”透气面积不足，导致炉内煤气流分布紊乱，料柱总压降长期偏高，炉况顺行稳定性差，同时煤气利用率仅为42%左右，焦比居高不下。随着企业逐步提升入炉球团比例，球团矿软熔温度低、软熔区间宽的特性进一步加剧了软熔带厚度增加、位置上移的问题，高炉下部差压持续升高，甚至频繁出现炉墙结厚、风口曲损的异常工况。

3.1.2 低软熔带操作模式的构建

金盛兰结合自身原燃料条件，创新性开发出适配高球比冶炼的低软熔带操作模式：在装料制度上，采用发展中心气流的“中心加焦+焦包矿”布料策略，在料批首尾形成焦炭倒台，减少高配比球团矿向炉墙与中心过度滚动的现象，优化料面形状，提升块状带的料柱孔隙度；在下部操作制度上，合理控制鼓风动能，优化风口布局，在保证炉缸活跃的前提下，适度降低软熔带的整体位置，推动软熔带根部下移，形成稳定的位置偏低的倒V形软熔带。同时配套引入软熔带三维可视化动态监测系统，基于炉内温度场、煤气流分布的实时数据，动态跟踪软熔带的形态与位置变化，为操作人员提供精准的调整依据。

3.1.3 应用成效

低软熔带操作模式投用后，高炉软熔带的整体高度下降1.2m，软熔带的有效“焦窗”透气面积提升25%，炉内料柱总压降降低12kPa，高炉顺行率提升至99%以上。同时高炉煤气利用率提升至49.5%，综合焦比降低48kg/t，在入炉球团比例提升至38%的条件下，依然实现了炉况的长期稳定顺行，彻底解决了高球比冶炼带来的透气性差、炉况波动大的行业共性难题。

3.2 高球比冶炼的炉料结构优化

为适配低软熔带操作模式，金盛兰在保持总球团比15%~20%基本稳定的前提下，下一步计划逐步调整球团结构，生产践行球团并同步将碱性球团的占比从0逐步提升至30%，同比例减少酸性球团的使用比例，有效缓解了球团矿还原膨胀率高、软熔区间宽的问题。同时优化入炉矿石的粒度组成，严格控制小于5mm的粉末入炉比例低于3%，进一步提升块状带的孔隙度，为低软熔带操作模式的长期稳定运行提供了优质的原料基础。

4  球团工序技术升级与低碳化改造

4.1 球团高效固结与低温焙烧技术

金盛兰在球团生产过程中，基于原料基因库的研究成果，针对库存铁精矿的特性优化焙烧制度，在保证球团矿冶金性能达标的前提下，将球团的预热温度降低50℃、焙烧温度降低80℃，实现低温高效固结。通过精准控制预热段的升温速率，让生球中的磁铁矿有序氧化，在球团内部形成均匀的微晶固结结构，既保证了成品球团的转鼓强度超过92%，又大幅降低了焙烧过程的燃料消耗。改造后球团工序的焙烧热耗降低12%，球团矿的还原膨胀率稳定控制在15%以下，完全满足高炉高比例入炉的质量要求。

4.2 带式焙烧机热工系统优化与热量梯级利用

金盛兰对全密闭式新型带式球团焙烧机的热工系统进行全面升级，采用烟气显热梯级高效循环利用技术，将冷却段排出的高温热风直接返回焙烧段作为助燃风，将焙烧段的中温烟气导入预热段，最后将经过多级利用后的低温烟气引至鼓风干燥段作为生球干燥的热源，实现全流程热量的梯级梯度利用，杜绝无效的热量散失。同时采用厚料层焙烧技术，将台车料层总厚度逐步提升，利用磁铁矿氧化过程的自放热效应，进一步减少外部燃料的补给。改造后带式焙烧机的热效率提升至85%以上，工序能耗降至13.8kgce/t，较传统烧结工艺碳排放降低70%，装备漏风率控制在10%以下，核心装备的作业率超过98%。

4.3 基于机器视觉的智能造球系统

在造球工序，金盛兰部署了基于机器视觉的智能造球系统，通过高清工业相机实时在线监测造球机内生球的粒度分布、料面状态与母球数量，系统自动联动调整造球机的补水流量、补加水位置与圆盘转速，将生球的粒度合格率稳定控制在90%以上，生球落下强度稳定大于4次/0.5m。彻底改变了以往造球岗位工依靠肉眼观察手动调节的操作模式，生球质量的稳定性大幅提升，为后续焙烧工序的稳产低耗创造了良好条件。

4.4 富氢竖炉直接还原用氧化球团矿制备研究进展

为布局未来氢冶金发展路径，金盛兰开展了富氢竖炉直接还原用高品质氧化球团的制备技术研究，通过优化配矿方案、调控焙烧制度，制备出低渣、低硅、高冶金性能的优质氧化球团，其Fe品位超过65%，还原膨胀率低于12%，低温还原粉化指数RDI+3.15超过90%，完全满足富氢竖炉直接还原工艺的严苛要求，为企业后续布局氢冶金短流程、实现极致降碳储备了核心技术。

4.5 全密闭式新型带式球团焙烧机技术发展及应用

金盛兰下一步计划新建全密闭式新型带式球团焙烧机，采用当前行业国际领先的3.0级带式焙烧机技术体系，从原料预处理、焙烧过程控制到成品输出全流程实现密闭化，无无组织粉尘排放。产线可同时稳定生产酸性、碱性、镁质等多类型球团产品，灵活适配高炉不同冶炼阶段的炉料结构需求，初步计划设计产能可达200万吨/年，为企业高炉将来实现40%以上的高比例球团冶炼提供了充足的优质球团资源保障。

5  余热极致利用与协同减污降碳技术体系构建

5.1 基于烟气内循环与余热梯级利用的系统性操作优化

金盛兰在烧结、球团全工序搭建了烟气内循环与余热梯级利用的系统性优化体系：将烧结机机尾的中温烟气部分循环返回烧结料面，替代新鲜空气参与烧结过程，既回收了烟气中的余热，又利用烟气中残留的CO二次燃烧放热，降低烧结固体燃料消耗；将环冷机三段不同温度的烟气分别导入不同参数的余热锅炉，产出不同压力等级的蒸汽，高参数蒸汽并入企业管网用于发电，低参数蒸汽供给生产生活使用，实现不同品质余热的梯度匹配利用。同时将带式焙烧机经过多级利用后的低温余热烟气，输送至烧结机的混合料预热工序，将混合料温度从25℃提升至55℃，进一步降低烧结工序的固体燃料消耗。通过全流程的协同优化，企业铁前工序的余热资源综合回收率提升至92%，每年额外产出余热蒸汽超过65万吨，折合创效超过5000万元。

5.2 烧结余热极致利用与协同减污降碳技术

金盛兰打破了以往“余热只用于产蒸汽”的传统思路，拓展余热的应用场景：将低品位的烧结余热用于厂区的冬季供暖，同时为原料车间的物料干燥提供热源，实现余热的全量吃干榨尽。在减污降碳协同层面，计划将余热回收系统与脱硫脱硝装置深度耦合，利用回收的余热为SCR脱硝装置提供所需的反应温度，无需大量燃烧煤气燃料加热，大幅降低了脱硝系统的运行能耗。该体系投用后可将铁前工序的碳排放较改造前降低18.7kg/t，同时SO₂、NOₓ等污染物的综合去除效率提升15%，真正实现了能源高效利用与污染物深度减排的协同效应。

6  数智赋能与全流程智能化升级

6.1 数智赋能—烧结/球团电除尘能耗精准调控与全周期深度节能稳定运行系统

金盛兰为所有烧结、球团工序的电除尘设备配套部署了智能能耗精准调控系统，系统根据实时监测的烟气粉尘浓度、烟气量数据，自动动态调整电除尘的电场输出功率，在保证出口粉尘浓度稳定低于10mg/m³的前提下，避免电除尘长期满功率运行造成的无效能耗。同时系统建立电除尘全生命周期运维档案，对极板振打、清灰等操作进行智能优化，大幅延长电除尘核心部件的使用寿命。改造后电除尘的用电单耗降低35%，每年节省电耗超过1200万kWh，同时电除尘的运行稳定性大幅提升，彻底杜绝了以往粉尘排放超标的异常工况。

6.2 基于大数据的智能化烧结技术

金盛兰搭建了覆盖烧结全流程的工业大数据平台，整合配料、混合、布料、点火、烧结、冷却、成品筛分全工序的数千个生产数据测点，构建起机理模型与数据驱动深度融合的智能烧结系统。系统通过大数据分析自动挖掘不同参数之间的关联规则，实现智能配矿、智能水分调节、智能燃料配比等全环节的自动优化，彻底摆脱生产过程对人工经验的过度依赖。投用后烧结过程的参数波动幅度降低60%，烧结矿的化学成分稳定性提升28%，为高炉提供了成分均匀、质量稳定的优质入炉原料。

6.3 烧结工序的智能化发展与精准控制技术

金盛兰构建的烧结全流程精准控制体系，实现了从原料进厂到成品输出的全链条闭环管控：智能配料系统根据不同矿种的成分实时数据，自动调整各矿槽的下料配比，将烧结矿的碱度波动范围控制在±0.03以内；混合机水分智能控制系统根据混合料的实时粒度与成分，自动调整加水量，将混合料水分稳定控制在最优区间；烧结过程的所有主辅机设备全部实现智能联动，生产过程的响应速度较人工操作提升5倍以上，真正实现了烧结工序的数字化、精准化、智能化生产。

6.4 烧结关键大型设备远程诊断和在线维修技术

金盛兰为烧结机主抽风机、环冷机、带式焙烧机等关键大型设备部署了在线状态监测与远程诊断系统，在设备的轴承、电机、传动部位安装振动、温度传感器，实时采集设备的运行状态数据。依托云平台的远程诊断算法，可提前7~15天预判设备的潜在故障，提前制定维护计划，将以往的“事后维修”“计划维修”升级为“预测性维护”。系统投用后，关键大型设备的非计划停机时间减少75%，设备的使用寿命延长3年以上，每年减少设备故障停机损失超过2000万元。

6.5 烧结球团设备集控化技术发展及应用

金盛兰计划建成了烧结球团全工序的集中控制中心，将以往分散在各个车间的数十个操作岗位全部整合到集控中心，通过工业互联网实现所有设备的远程集中操控。岗位人员可从原来的120余人精简至35人，大幅降低了人工劳动强度，同时消除了不同工序之间的信息壁垒，实现烧结、球团生产过程的协同联动，生产调度效率提升60%，彻底改变了传统钢铁车间岗位分散、管理难度大的生产模式。

7  烧结球团提产降耗综合成效与新技术应用价值总结

7.1 改造前后核心技术指标对比

经过三年的系统性技术改造，湖北金盛兰冶金铁前工序的各项核心技术指标均实现了大幅跃升，具体指标对比见表1。

表1 改造前后铁前核心技术指标对比

7.2 综合效益分析

本次系统性技术改造累计投入资金2.8亿元，每年可为企业创造直接经济效益超过2.1亿元，投资回收期仅为1.3年，经济效益十分显著。在环保效益层面，企业每年可减少颗粒物排放85吨、SO₂排放120吨、NOₓ排放95吨，碳排放总量年减少超过12万吨，各项污染物排放指标全面优于国家超低排放要求，顺利通过了国家A级钢铁企业的环保绩效评级。在社会效益层面，项目为华中地区中小规模钢铁企业的铁前工序绿色低碳智能化升级打造了可复制的样板，为区域钢铁行业的高质量转型提供了实践参考。

7.3 行业推广价值

金盛兰的升级实践充分证明，多项前沿烧结球团技术并非只能在大型钢铁企业落地，通过结合企业自身实际条件进行适配性优化，完全可以以较低的改造成本实现显著的提质降耗降碳效果。该技术体系打破了行业“先进技术只适配大型产线”的固有认知，为全国数千家中小型钢铁企业的铁前工序改造提供了清晰的落地路径，对于推动我国钢铁行业整体实现“双碳”目标、完成高质量转型具有重要的示范意义。

8  结论与展望

湖北金盛兰冶金科技有限公司三年来围绕多项核心技术方向开展的系统性铁前升级实践，取得了远超预期的应用成效，构建起了“工艺优化-装备升级-余热回收-数智赋能”四位一体的铁前绿色低碳生产体系。未来企业将继续深化技术创新，进一步探索更高比例球团冶炼、富氢冶金耦合的新型生产模式，持续挖掘铁前工序的降碳潜力，力争在“十四五”末期实现铁前工序碳排放较2020年降低20%的目标，持续引领区域钢铁行业的绿色低碳智能化发展方向。