炼铁全流程铁矿石评价体系构建及难处理矿高效利用

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项目名称        炼铁全流程铁矿石评价体系构建及难处理矿高效利用
提名单位        教育部
提名单位意见：
我单位认真审阅了该项目提名书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。
按照要求，我单位和项目完成单位都已对该项目的拟提名情况进行了公示，目前无异议。
该项目针对我国钢铁企业普遍面临的由于铁矿石资源紧缺、价格上涨所引发的原料复杂化、波动化、低贫化等问题，以基础研究为依据，创新驱动技术开发，构建了炼铁全流程铁矿石技术性和经济性评价体系，为钢铁企业合理利用资源，实现节能减排以及智能制造奠定了基础。针对高铝型原料的利用提出新的技术，同时发展了高配比钒钛磁铁矿烧结及高炉冶炼技术，并经过系统集成，开发了炼铁全流程铁矿石评价软件。教育部组织专家组对“铁矿石评价体系研究”项目进行了成果鉴定。认为该成果具有较高的学术价值，是目前最完整、系统和实用的铁矿石评价方法，针对我国铁矿石资源特点和严重依赖进口的现状，为经济合理地使用不同品质的铁矿石提供了重要的理论依据和途径，经济效益和社会效益明显。并一致认为该成果达到国际先进水平。研究成果已成功应用于宝山钢铁、南京钢铁、山东钢铁、攀钢集团和昆明钢铁。自投入工业应用以后，显著节约了原料成本，烧结矿质量指标稳定，原料种类的扩充保障了烧结产量的提高，提高了烧结、高炉的利用系数，全面提升了烧结工艺的自动化与智能化水平，取得了显著的经济效益。
对照国家科学技术进步奖授奖条件，提名该项目申报2018年度国家科学技术进步奖二等奖。


项目简介：
针对我国钢铁企业普遍面临的由于铁矿石资源紧缺、价格上涨所引发的原料复杂化、波动化、低贫化等问题，为了合理利用资源和降低企业生产成本，以基础研究为依据，创新驱动技术开发，同时考虑炼铁过程中的技术性和经济性，密切结合生产实际，建立了炼铁全流程铁矿石评价体系。此评价体系尤其为难处理矿的高效利用指明了方法和路径。
本项目通过近12年的理论研究与技术攻关，解决了高铝型铁矿资源难利用，钒钛磁铁矿高炉冶炼配比低等技术难题。主要技术创新包括：
1）构建了炼铁全流程铁矿石评价体系，为钢铁企业合理利用资源，实现节能减排以及智能制造奠定了基础。此评价体系包括建立了基于遗传算法的智能配矿模型，基于湿容量参数的烧结料制粒最佳配水模型，基于人工神经网络的烧结工艺预测模型以及铁矿石高炉冶金还原行为精准化模型。同时考虑了基于多尺度结构的高炉渣高温物理化学。
2）针对高铝型原料的利用提出新的技术：针对未来高炉炼铁工艺的发展趋势，在国际上率先对高铝型原料的使用进行系统研究与评估，分别在高铝矿烧结、高铝矿冶炼、高铝型高炉渣高温物理化学及炉渣资源化等方面提出了新工艺或技术。提出完全采用铝酸盐型炉渣替代硅酸盐型炉渣，避开高硅高铝型的高熔点物相成渣区域。对铝酸盐型炉渣的粘度、熔化特征、熔体结构、脱硫能力等物理化学问题进行了系统的研究，为今后高铝型铁矿的规模化使用提供系统可靠的技术支撑。
3）发展了高配比钒钛磁铁矿烧结及高炉冶炼技术：针对我国特有的大宗特色钒钛磁铁矿复合共生资源的使用问题，在现有工艺的基础上，通过系统基础研究，分别提出了原料预润湿制粒、选择性烧结、高钛低碱度高炉冶炼等关键技术。提出采用预润湿制粒工艺、改善熔剂种类，抑制钙钛矿而促进铁酸钙形成，高炉冶炼采用高钛低碱造渣工艺，控制泡沫化产生，为进一步提高钒钛矿配比，改变操作理念起到积极的促进作用。
4）经过系统集成，开发了炼铁全流程铁矿石评价软件：按照炼铁全流程工序进行划分，分别对烧结配料、混合料制粒、混合料烧结、高炉冶炼等各工序建立了技术和经济指标评价模块，结合大量基础研究的重要结论和模型，采用人工神经网络、遗传算法、线性规划等多种最优化求解方法，利用计算机编程语言和数据库技术，建立了集知识库和数据库为一体的评价体系，开发了全流程铁矿石评价评价软件。
本研究成果应用前景好，已在昆明钢铁、宝山钢铁、山东钢铁、攀钢集团、南京钢铁等国内主要钢铁单位得到了工业应用，近三年新增利润13.62亿元。针对铁矿石严重依赖进口的现状，为经济合理地使用不同品质的铁矿石提供了重要的理论依据和途径。本项目获授权发明专利20余项，国际权威杂志发表SCI论文40余篇，获2011年教育部科学技术进步奖一等奖，中国钢铁工业协会，中国金属学会冶金科学技术奖一等奖。


客观评价：
1、科技查新报告
2017年12月29日，教育部科技查新站重庆大学图书馆国际联机对“炼铁全流程铁矿石评价体系构建及难处理矿高效利用”进行检索，查新点涵盖：①湿容量测试与预测、②烧结液相生成计算与预测、③矿物组成定量识别、④烧结智能型配矿、⑤铝酸盐型炉渣五个方面，查新结论为：①测试设备不完全相同，预测模型未见报道，②计算模型与预测方法未见报道，③设计思路、算法未见报道，④计算设计未见报道，⑤铝酸盐型炉渣未见报道。
2、鉴定意见
2010年11月7日，教育部组织专家组对“铁矿石评价体系研究”项目进行了成果鉴定。形成鉴定意见如下：该项目建立了铁矿石在炼铁全流程中的评价体系，提出了经济合理地使有不同品质的铁矿石、使其获得最佳技术经济指标的方法。该成果具有较高的学术价值，是目前最完整、系统和实用的铁矿石评价方法，针对我国铁矿石资源特点和严重依赖进口的现状，为经济合理地使用不同品质的铁矿石提供了重要的理论依据和途径，经济效益和社会效益明显。并一致认为该成果达到国际先进水平。
3、国内外同行评价
研究团队2010年发表于ISIJ Int.的题为“Moisture Capacity: Definition, Measurement, and Application in Determining the Optimal Water Content in Granulating”学术论文，在国内外首次明确提出“湿容量”概念、测量方法及应用，并已经被收录在国际铁矿石最新专著中(Iron Ore: Mineralogy, Processing and Environmental Sustainability, ISBN 9781782421566)。国际上，澳大利亚、巴西、日本、印度和法国的学者逐渐使用这个概念和方法，用于指导实际生产；国内炼铁领域专家对铁矿石湿容量等相关方法进行了项目鉴定，专家一致认为：湿容量的使用为企业确定最佳工艺参数提供了直观可靠的方法，改变了过去依赖经验的落后状况。
2011年发表于ISIJ Int.的题为“Behavior of Liquid Phase Formation during Iron Ores Sintering”学术论文，系统地梳理了原料化学成分对液相量生成的影响规律，为摆脱依靠经验继续烧结优化配矿提供理论依据，该论文被SCI论文他引11次。
针对高铝矿难利用的问题，研究团队相继在2016年、2017年于Metallurgical & Materials Transactions B发表“Transition of Blast Furnace Slag from Silicates-Based to Aluminates-Based”的系列论文，论文围绕炉渣硫容量、粘度提出高炉冶炼高铝矿的炉渣结构从硅酸盐向铝酸盐转变的新概念。
针对钒钛磁铁矿难利用的问题，研究团队一方面明晰了钒钛磁铁矿还原过程的物相转化规律与调控手段，2013年在Metallurgical & Materials Transactions B发表题为“Reduction Behavior of Panzhihua Titanomagnetite Concentrates with Coal”的学术论文，迄今他引38次；另一方面综合分子动力学模拟、红外-拉曼光谱检测、宏观性能测试等方法，明晰高钛型高炉渣的多尺度特征，2014年在ISIJ Int.发表题为“Structure Analysis of CaO-SiO2-Al2O3-TiO2Slag by Molecular Dynamics Simulation and FT-IR Spectroscopy”的学术论文，迄今他引7次。
4、已获科技奖励
该成果获2011年教育部科学技术进步奖一等奖，2015年中国钢铁工业协会，中国金属学会冶金科学技术奖一等奖。
推广应用情况：
针对我国钢铁企业普遍面临的由于铁矿石资源紧缺、价格上涨所引发的原料复杂化、低贫化、波动化等问题，为了合理利用资源、节能减排和降低企业生产成本，以基础研究为依据，创新驱动技术开发，密切结合生产实际，构建了炼铁全流程铁矿石技术性和经济性评价体系，为钢铁企业合理利用资源，实现节能减排以及智能制造奠定了基础。针对高铝型原料的利用提出新的技术，同时发展了高配比钒钛磁铁矿烧结及高炉冶炼技术，并经过系统集成，开发了炼铁全流程铁矿石评价软件。
研究成果已成功应用于宝山钢铁股份有限公司、南京钢铁联合有限公司、山东钢铁股份有限公司莱芜分公司、昆明钢铁控股有限公司和攀钢集团有限公司。自投入工业应用以后，显著节约了原料成本，烧结矿质量指标稳定，原料种类的扩充保障了烧结产量的提高，提高了烧结、高炉的利用系数，全面提升了烧结工艺的自动化与智能化水平，取得了显著的经济效益。
近三年来，累计新增利润13.62亿元，具有显著的经济和社会效益，应用前景广阔。


主要知识产权证明目录：知识产权类别         知识产权具体名称         国家
发明专利        一种利用电流实时监测炉渣泡沫化程度的实验装置及方法         中国        ZL 201510361671.5        2017-10-27         2673455         重庆大学         吕学伟，单成，张旭，邱贵宝，徐健，扈玫珑，张生富，白晨光         有效 有权


发明专利        一种用于铁矿石烧结的烧结助熔剂制备方法         中国        ZL 201410565367.8        2016-08-24         2206123         重庆大学         吕学伟，魏瑞瑞，陈龙，扈玫珑，白晨光，邱贵宝，徐健，张生福         有效有权


发明专利        测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法         中国        ZL 201110396149.2        2013-12-11         1319497         重庆 大学         吕学伟，黄小波，张忍德，周茂军，邱贵宝，扈玫珑         有效 有权


发明专利        一种含铁原料气基还原、成渣过程实验方法及装置         中国        ZL 201310691946.2        2016-08-17         2177208重庆大学         徐健，王冬东， 徐扬，胡招文，邓青宇，张生富，白晨光，温良英，邱贵宝，吕学伟，扈玫珑，寇明银，候自兵         有效 有权
发明专利        基于真空碳热还原的含钛高炉渣提钛处理方法         中国        ZL 201510010258.4        2016-09-28         2253591         重庆 大学         扈玫珑，胡蒙均，尹方庆，魏瑞瑞，吕学伟，邓青宇，许宇宙         有效 有权
发明专利        一种烧结混合料水分自动控制系统         中国        ZL 201010185031.0        2011-07-06         804905         重庆 大学         吕学伟，白晨光，潘成，邱贵宝，张生富，扈玫珑         欠费 失效
发明专利        测量铁矿粉湿容量及测算烧结混合料配水        中国        ZL  200910104357.3        2011-03-30         751807         重庆
大学          吕学伟，白晨光，周传强，谢皓，邱贵宝，唐启荣，王涛，夏海英          欠费 失效


主要完成人情况：
1. 白晨光，教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，项目总负责人，对创新点（1）、（2）、（3）、（4）做出了重大贡献，具体包括：全面负责总体技术方案的制定，负责项目组织、协调、管理和实施。对矿石在全炼铁流程中技术性和经济性评价体系的建立开展了长期卓有成效的研究，提出了湿容量的概念，建立了烧结工艺智能型的配矿方法，组织开展了高铝型铁矿的规模化应用、高钛低碱造渣工艺方案的设计，对炼铁全流程铁矿石评价体系的构建、系统集成、软件开发以及智能化炼铁水平的提升做出了突出贡献。获20项发明专利和5项实用新型专利授权，发表论文33篇。
2. 吕学伟，教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，对创新点（1）、（2）、（3）、（4）做出了重大贡献，具体包括：针对难处理复杂铁矿资源，建立了基于遗传算法的智能配矿模型、基于湿容量的烧结料制粒最佳配水预测模型、基于人工神经网络的烧结工艺预测模型等，并参与了高铝型以及高钛型铁矿的规模化应用。获15项发明专利和6项实用新型专利授权，发表论文26篇。
3. 朱仁良，教授级高级工程师，工作单位：宝山钢铁股份有限公司，完成单位：宝山钢铁股份有限公司，对创新点（1）、（4）做出了重大贡献，具体包括：参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。
4. 刁岳川，研究员级高级工程师，工作单位：南京钢铁联合有限公司，完成单位：南京钢铁联合有限公司，对创新点（1）、（2）、（4）做出了重大贡献，具体包括：参与推广了烧结工艺智能型配矿方法在炼铁流程中的应用，参与开发了铁矿石高炉冶金还原行为精准化控制模型。
5. 罗登武，应用技术研究员，工作单位：山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，完成单位：山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，对创新点（1）、（2）、（4）做出了重大贡献，具体包括：参与构建了炼铁全流程评价体系，对智能配矿、烧结料制粒最佳配水预测、烧结工艺预测等模型的开发及高铝型矿烧结机制的建立起到了至关重要的作用。
6. 唐启荣，教授级高工，工作单位：昆明钢铁控股有限公司，完成单位：昆明钢铁控股有限公司，对创新点（1）、（2）、（4）做出了重大贡献，具体包括：参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。
7. 付卫国，高级工程师，工作单位：攀钢集团有限公司，完成单位：攀钢集团有限公司，对创新点（3）、（4）做出了重大贡献，具体包括：参与开发了高配比球团矿与高碱度烧结矿炉料结构以及低钙型造渣体系，对解决钒钛磁铁矿高炉冶炼配比低和高钛型炉渣易泡沫化的难题发挥了重要作用。
8．王跃飞，高级工程师，工作单位：宝山钢铁股份有限公司，完成单位：宝山钢铁股份有限公司，对创新点（1）、（2）、（4）做出了重大贡献，具体包括：参与构建了炼铁全流程评价体系，对智能配矿、烧结料制粒、铁矿石高炉冶金还原行为精准化模型的开发起到了关键作用，并参与高炉渣高温物理化学性能的研究。
9. 张生富，教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，对创新点（3）做出了重大贡献，具体包括：参与了矿石在全炼铁流程中技术性和经济性评价体系的建立和烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。获11项发明专利，发表论文22篇。
10. 扈玫珑，副教授，工作单位：重庆大学，完成单位：重庆大学，对创新点（1）、（3）做出了重大贡献，具体包括：参与了炼铁全流程铁矿石评价体系的构建、系统集成和软件开发，对智能化炼铁水平的提升起到了关键作用。获8项发明专利，发表论文15篇。




主要完成单位及创新推广贡献：
1. 重庆大学
本项目历经10余年的持续攻关和不懈努力，重庆大学在人员、经费、场地等方面进行了较大投入，为本技术的成功研发做出了突出的贡献。重庆大学是本项目从基础理论研究、实验测试、半工业试验和大规模产业化应用的技术负责单位，对矿石在全炼铁流程中技术性和经济性评价体系的建立、高铝型铁矿的规模化应用、高钛低碱造渣工艺方案的设计等研发工作进行了持续多年的技术努力，提出了“湿容量”的概念，建立了复杂混合料条件下制粒工序模型，创立了烧结工艺智能型的配矿方法，实现了难处理复杂铁矿资源炼铁全流程大规模高效应用。与宝山钢铁股份有限公司、南京钢铁联合有限公司、山东钢铁股份有限公司莱芜分公司、攀钢集团有限公司、昆明钢铁控股有限公司共同开展半工业、工业化试验和产业化应用，取得了较为显著的经济、社会和环境效益，在很大程度上缓解了铁矿石严重依赖进口的现状，为经济合理地使用不同品质的铁矿石提供了重要的理论依据和途径。
重庆大学对创新点（1）、（2）、（3）、（4）均做出了突出贡献，在产业化应用过程中做了大量的卓有成效的工作。
2. 宝山钢铁股份有限公司
宝山钢铁股份有限公司与重庆大学共同合作，对复杂混合料条件下制粒工序模型的建立等方面进行了技术攻关，成功研发了烧结工艺智能型的配矿方法。在项目实施过程中，公司参与并开发了复杂混合料条件下制粒工序模型的测试方法和测试系统，实现了对工序的准确预测并指导工艺优化；参与并实施了烧结工艺智能型的配矿方法，通过设置目标参数的优先级别，使配矿模型具有自适应性，实现机器学习。
公司为本技术成果的产业化应用、工艺过程的优化与完善以及经济技术指标的提高等方面做出了重要的贡献。
3. 南京钢铁联合有限公司
南京钢铁联合有限公司与重庆大学共同合作，对烧结工艺智能型配矿和铁矿石高炉冶金的还原行为进行了卓有成效的研究。在项目实施过程中，公司参与并开发了智能配矿模型和烧结工艺预测模型，解决了企业长期以来单纯依靠烧结实验进行优化配料的难题，为科学合理的配矿提供了经济可行的方法，提高了企业的智能化水平。
公司为本技术工艺参数的优化以及经济技术指标的提高等方面做出了重要的贡献。
4. 山东钢铁股份有限公司莱芜分公司
山东钢铁股份有限公司莱芜分公司与重庆大学共同合作，对炼铁全流程铁矿石评价体系的建立以及智能配矿、烧结料制粒、烧结工艺预测模型的推广和应用起到了至关重要的作用。在项目实施过程中，公司参与并开发了复杂混合料条件下制粒工序模型的测试方法和测试系统，实现了对工序的准确预测并指导工艺优化；参与并系统研究了铝酸盐型炉渣的粘度、熔化特征、熔体结构、脱硫能力等物理化学问题，为今后高铝型铁矿的规模化使用作了系统可靠的技术支撑。
公司为本技术成果的产业化推广、工艺的完善以及经济技术指标的提高等方面做出了重要的贡献。
5. 昆明钢铁控股有限公司
昆明钢铁控股有限公司与重庆大学共同合作，对难处理复杂铁矿资源炼铁全流程大规模高效应用开展了技术研究。在项目实施过程中，公司参与了制粒工序以及烧结工艺的优化，合作建立了复杂混合料条件下的制粒工序模型，测试了烧结工艺智能型的配矿方法，优化了工艺参数，为技术的推广起到了良好的示范效应。
公司为本技术成果的产业化应用、工艺过程的优化与完善以及经济技术指标的提高等方面做出了重要的贡献。
6. 攀钢集团有限公司
攀钢集团有限公司与重庆大学共同合作，对钒钛磁铁矿高炉冶炼配比低和高钛型炉渣易泡沫化的难题进行了技术攻关。在项目实施过程中，公司参与了预润湿制粒工艺，通过改善熔剂种类，抑制钙钛矿而促进铁酸钙形成，合理调配入炉炉料的比例，从而控制了泡沫化的产生，为进一步提高钒钛矿配比，改变操作理念起到积极的促进作用。
公司为本技术成果的方法测试、模型应用与工艺参数的完善优化做出了重要的贡献。


完成人合作关系说明：
吕学伟、张生富、扈玫珑三人均为重庆大学在编职工，是白晨光团队的成员，一直参与烧结工艺智能型的配矿方法、高铝型铁矿的规模化应用、钒钛矿造块及高炉冶炼工艺的研发、半工业试验、产业化应用与推广工作。
朱仁良、王跃飞均为宝山钢铁股份有限公司的在职员工，主要从事高炉炼铁的生产、技术研发方面的工作，在重庆大学与宝山钢铁股份有限公司签订的横向科研项目《铁矿粉湿容量对烧结料混合制粒的影响研究》和《烧结过程的物理化学状态在线监测与优化控制研究》的基础上，两人均参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。
刁岳川为南京钢铁联合有限公司的在职员工，主要从事高炉炼铁的生产、技术研发方面的工作，在重庆大学与南京钢铁联合有限公司签订的横向科研项目《高炉炉渣性能研究》的基础上，参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。
罗登武为山东钢铁股份有限公司莱芜分公司的在职员工，主要从事高炉炼铁的生产、技术研发方面的工作，在重庆大学与山东钢铁股份有限公司莱芜分公司签订的《烧结综合评价体系研究》和《高铝高炉渣粘度规律研究》横向科研项目的基础上，参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法、高铝型铁矿的规模化工业应用等方面工作。
唐启荣为昆明钢铁控股有限公司的在职员工，主要从事高炉炼铁的生产、技术研发方面的工作，在重庆大学与昆明钢铁控股有限公司合作申请的昆明市科技计划项目《铁矿石评价体系研究》的基础上，参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。
付卫国为攀钢集团有限公司的在职员工，主要从事高炉炼铁的生产、技术研发方面的工作，在重庆大学与攀钢集团有限公司签订的横向科研项目《高配比钒钛矿高炉冶炼过程炉渣性能与影响钒回收率因素研究》的基础上，参与了复杂混合料条件下制粒工序模型的建立、烧结工艺智能型配矿方法的工业应用。