山东省冶金设计院股份有限公司（简称：山冶设计）拥有国家颁发的冶金行业工程设计甲级、建筑行业建筑工程设计甲级、建材行业非金属矿山工程设计甲级及同等级别的工程咨询、规划、工程总承包资质；拥有市政行业、电力行业、环境工程专项、化工石油医药行业、环境影响评价、工程测量等乙级资质；拥有水土保持方案编制资格；拥有压力容器、压力管道设计许可证；拥有建筑业企业施工资质、环保工程专业承包资质。经过60年的努力，业务范围涉及冶金、矿山、工业与民用建筑、电力、建材、化工等工程勘察设计和工程总承包及总承包项下的设备材料销售、施工、安装、调试、人员培训、建造，以及工程监理、技术咨询、技术改造、环境影响评价等钢铁企业发展建设的成套解决方案，具备规划、设计、总承包1000万吨级综合钢铁项目能力，涉足合同能源管理、融资租赁等多种商业运作模式。
作为绿色冶金建设领跑者，山冶设计以“一切为用户着想”为核心理念，以“打造学习型，创新型，领先型的国际工程技术公司”为目标，遵循“先进技术开拓市场，超值服务回报客户”的经营理念，坚持走自主知识产权道路，在工程设计中始终跟踪世界钢铁行业前沿技术，大力研究开发应用科技含量高、资源消耗少、环境污染少、经济效益好的先进技术，取得了诸多成果。
1炼铁技术主要业绩
随着钢铁工业技术水平、装备大型化、自动化和高效化持续推进，山冶设计的炼铁技术水平也实现了跨越式发展，先进低碳技术的开发应用，促使山冶设计炼铁业绩遍布国内外，高炉业绩从200m3到5000m3，市场由国内市场扩展到国外市场，骄人业绩的背后是山冶设计持续不断的创新。具有代表性的技术有高炉高效综合长寿技术、顶燃式热风炉技术、全干法布袋除尘技术、高炉粒煤喷吹技术、紧凑式铁钢界面技术、HIsmel t熔融还原炼铁技术。
2高炉高效综合长寿技术创新
传统炼铁工艺的核心装备是高炉本体，高炉本体设计是否合理是高炉系统能否实现高效、低耗、节能环保的关键。
多年来，在理论与实践相结合的基础上，借助TRIZ创新理论、ANSYS有限元软件等理论创新方法及模拟计算手段，充分研究国内外高炉的设计及技术装备特点，积极探索新的设计理念，将理论与实践、传统与创新融合碰撞，形成了一套先进实用、成熟可靠、绿色环保的高炉高效长寿综合技术，为项目主体打好了根基。
2.1设计理念创新
1）根据高炉产量的需求，以炉腹煤气量指数为依据，进行高炉炉型设计和设备能力的选取，形成高效、低耗、长寿高炉设计新体系。
2）遵循冶金工程学理论，科学认识高炉冶炼过程的动态运行规律，加强现代高炉操作规律的研究，建立动态有序、精准高效的现代高炉设计及运行理念。
3）建立系统性、全局性的工程思维模式，积极与工程用户进行深入的交流，深入生产现场调研，尤其是重点调研原有工程中存在的问题，在新工程的设计中进行持续优化改进、再创新。
2.2具体技术创新
2.2.1长寿高效炉型设计创新
高炉内型对高炉冶炼过程
和高炉寿命具有重要影响，高炉内型要满足高炉冶炼过程的工艺要求，有利于炉料下降和煤气流上升，有利于提高料柱透气性和提高煤气利用率，有利于炉料分布控制和煤气流合理分布，合理的高炉炉型是实现高炉“稳定、顺行、高产、低耗、长寿”的前提条件。
高炉内型设计中兼顾设计内型与操作内型的协同统一优化和动态过渡，确保高炉在一代炉役期间保持合理的操作炉型。高炉炉型设计根据现代高炉冶炼过程传热、传质、动量传输和物理化学反应原理，结合拟采用的原燃料条件、操作条件，以提高炉料透气性、改善煤气能量利用、促进高炉稳定顺行为目的进行内型设计。
1）炉缸直径的选取：高炉炉缸是高炉最重要的部位，炉缸是高炉内型设计中的核心参数，合理的炉缸直径和炉缸高度对于整个高炉内型参数设计至关重要，炉缸直径的确定理论上采用炉腹煤气量指数作为计算依据，同时结合实践经验及原燃料条件等，综合分析确定。可以有效避免过去采用冶炼强度为基础计算所造成的偏差。避免因炉缸直径过大，气流吹不透，容易造成炉缸堆积、炉腹煤气量指数下降，边缘气流发展，炉缸侧壁温度上升等问题；炉缸直径过小，则炉缸中心料柱过吹，焦炭易被搅碎，压实，使死料柱透气性和透液性变差，同时还会使中心煤气流紊乱。
2）在高炉结构上，炉腰具有承上启下的作用。高炉炉腰是高炉径向尺寸最大的部位。炉窑直径的选择对高炉煤气流速、透气性等操作参数有较大影响，随着高风温、大喷煤、大富氧操作理念的发展，相对较大的炉腰直径有利于煤气流速控制，高炉更容易接受风量，透气性更好。
3）矮胖、薄壁高炉炉型设计理念：随着高炉大型化体现得越来越明显，小炉腹角也是现代薄壁高炉内型设计的重要特点之一，较小炉腹角不仅有利于改善煤气流分布，稳定渣皮，保护炉腹区域冷却器，同时还可以改善料柱透气性，降低煤气流速，减少炉料膨胀对内衬和渣皮的摩擦力，改善风口冷却壁的工作环境。
4）合理、较深的死铁层深度：以死料柱为“漂浮”状态为预期目标，有助于减轻铁水环流对炉缸耐材的侵蚀，且有利于炉缸保持活跃。
2.2.2科学的内衬结构
炉底炉缸是高炉实现安全生产最为重要的部位，为此，山冶设计逐步建立了“隔离”和“引导”的炉缸长寿设计理念。“隔离”就是保证炉缸长期稳定形成自保护性渣铁凝滞层，将渣铁与耐材“隔离”，避免炭砖的冲刷侵蚀。同时，自保护性渣铁凝滞层的存在，能够将1150℃及870℃等温线推离炭砖热面，从而避免了炭砖因热应力破坏而造成脆裂带的产生；“引导”就是在设计上，采用技术措施“引导”炉底炉缸向“锅底状”侵蚀发展，同时“引导”铁水流向减小环流对侧壁的冲刷。
在此创新理念的指导下，逐步形成以下四项先进技术措施，有效解决了限制高炉长寿的突出问题。1）建立合理的炉缸传热体系：保证炉缸长期稳定形成自保护性渣铁凝滞层，将渣铁与耐材“隔离”；2）“自适应操作型炉缸炉底”结构：采用“引导”理念，引导炉底炉缸侵蚀向“锅底状”发展，引导炉芯温度保持在合理的范围；3）平滑型炉缸铁口区过渡技术：通过合理增加铁口区域炭砖厚度和平滑型过渡措施，引导炉缸铁水流向，减少铁水对铁口区耐材的冲刷侵蚀；4）安全可靠的炉缸炉腹过渡衔接技术：改进炉缸炉腹衔接部位的冷却壁结构，将炉缸炉腹衔接部位隔离在漏斗状侵蚀线以外，解决炉缸和炉腹冷却壁衔接部位烧损的问题。
2.2.3无过热冷却理念
炉腹、炉腰、炉身下部是实现高炉长寿的关键部位。此区域处于高温熔融区，承受炉料磨损冲刷、炉渣化学侵蚀、软融带根部反复上下移动产生的热震、碱金属和锌的破坏作用，是高炉工况最恶劣的区域。根据多年的生产经验，如此恶劣的工况，任何耐火材料在此区域都难以长期维持存在，特别是热震作用使耐材都难以长期使用，最终只有靠形成渣皮来保护冷却设备是实现长寿最有效措施。能否快速形成稳定渣皮是取决于该区域是否有合理高效的冷却体系，即无过热冷却体系的建立，包括冷却设备及与之相匹配的冷却系统。
同时为避免炉缸炉腹过渡区域因冷却设备的变化，导致二者衔接过渡引起的冷却璧结合部位的设备烧损、漏水，造成休风及停炉检修等问题，山冶设计开发了安全可靠的炉缸炉腹过渡衔接技术：综合考虑炉缸炉腹衔接部位的冷却壁结构、炉腹内型角度、冷却壁安装角度、热面耐火材料厚度、炉腹冷却壁镶砖形式，在采用小炉腹角内型设计的同时，保证炉缸炉腹衔接部位推离至漏斗抛物面以外，同时优化炉腹冷却壁和风口冷却壁界面衔接过渡，优化该区域冷却壁镶砖结构。该技术在2008年首次应用于莱钢3#3200m3高炉，之后相继应用于各种容积高炉，很好地实现了该部位长寿的目标。
随着近百座高炉工程经验的积累，通过持续优化，山冶设计研究形成了多种成熟的炉体冷却工艺流程，可满足不同用户、不同水质条件和操作习惯的需求，如串联软水密闭循环工艺、并联软水密闭循环工艺、风口小套独立软水密闭循环工艺等，而且还可根据用户新的要求进行组合式创新流程“定制设计”。研究开发的各种软水密闭循环冷却系统具有不易结垢、冷却效果好、耗水量少、冷却水欠热度高的优点。
2.2.4完善的监测预警
高炉长寿不仅需要合理的内型设计、导热好的冷却壁、优质的耐材和冷却水系统，还需要在高炉实际运行中密切监视温度状况，做到提早发现问题并及时维护治理，使高炉回归正常。因此，炉体系统设置了完善的炉体检测系统。如在炉缸、炉底设置炉衬热电偶、冷却壁热电偶，用以检测炉底炉缸部位的温度分布、推断炉缸炉底的侵蚀状况，判断炉体热负荷状况等；设置炉身静压（压差）测量装置，以计算料柱阻损，指导高炉的布料操作；在炉顶采用红外线摄像仪，配合炉顶布料操作。高炉软水密
闭循环冷却系统设有温度、压力、流量、液位等完善的检测系统以保证水系统安全运行。
3顶燃式热风炉技术创新
自2001年起，山冶设计以高风温、低耗能、长寿、绿色环保为目标，进行新一代顶燃式热风炉技术的研发，引进、消化、吸收卡鲁金顶燃式热风炉技术，并设计和建设了中国第一座高风温顶燃式热风炉（莱钢3#750m3高炉热风炉）。以此为契机，山冶设计依托自身较强的理论基础优势及工程设计经验，先后与东北大学、西安建筑科技大学等科研院所紧密合作，并依托莱钢，发挥与生产操作紧密结合的有利条件，经过十几年的不断改进、完善、再创新，最终形成了拥有15项专利技术的改进型顶燃式热风炉技术。该技术在国内外140余座高炉上应用，占据国内40%以上市场份额，并拓展到亚洲、欧洲、南美、非洲等国外市场。其中4000m3以上高炉配套热风炉总承包业绩7座，3000-4000m3高炉配套热风炉业绩7座。山冶设计的顶燃式热风炉技术经过近20年的不断发展，创造了多项国内第一。
改进型顶燃式热风炉十大特色技术：1）高效低氮燃烧技术：燃烧室截面温度分布均匀度提高10%，温差＜25℃；2）燃烧器隔热层：可使空煤气环腔外壁温度降低200℃，有效降低热损失；3）炉壳全钢支撑臂结构：取消支撑臂耐火混凝土，节省投资；4）蓄热体建立温度场的理念：改变以往片面截取蓄热体纵向温度点进行蓄热体计算的方式，全面分析蓄热体热交换过程，建立温度场热交换模型，加入时间坐标，精确得出蓄热体关键设计指标——加热面积和蓄热能力（砖重）；5）燃烧室炉壳高效防晶间应力腐蚀系统：有效解决NOx产生的晶间应力腐蚀问题；6）碟形炉底结构：彻底解决刚性炉底上翘现象；7）热风管系补偿技术：合理设置补偿器、拉杆、支架，分段补偿，合理消除应力；8）自动烧炉控制系统：提高风温5℃，节省煤气消耗5%；9）冷风分配装置：提高冷风在蓄热体截面上的均匀度10%；10）针对不同燃气介质开发多种烘炉设施，满足新建厂区热风炉烘炉及高炉烘炉、开炉的需要。安全可靠，自动化程度高。
热风炉生产可达到以下指标：1）纯烧高炉煤气（760kcal/ Nm3）、无外加燃烧炉系统，风温达到1250℃，外加燃烧炉系统风温达到1300℃，煤气消耗控制在580Nm3/t以下；2）寿命长：炉本体和外围管系同时保证两代高炉炉役；3）投资省：比同类型其他热风炉节省投资10%以上；4）环保：CO排放＜100ppm，NOx排放＜50mg/Nm3。
4高炉全干法除尘技术
自2002年，山冶设计将煤气全干法除尘技术首次在国内（莱钢3#750m3高炉）成功应用，并相继在莱钢1880m3、1000m3高炉等7座大中型高炉采用全干法煤气工艺，此技术在国内得到广泛推广应用，已成为现代高炉炼铁设计首选技术。该技术作为国家“十五”期间大力推广的“三干三利用”节能环保技术之一，在行业内有较大影响。经过多年的经验积累，山冶设计不断创新改进，在原有基础上，自主研发了一系列新型环保节能技术，包括高炉净煤气气力输灰技术、带煤气放散功能的干法除尘技术、筒体智能恒温伴热保温技术等。
1）高炉净煤气气力输灰技术：以净煤气作为气源，将干法布袋除尘系统收集的煤气粉尘，通过净煤气余压输灰装置进行灰尘输送和储存，避免在输灰卸灰过程中粉尘的二次污染并实现高炉煤气余压余能的合理利用。
2）带煤气放散功能的干法除尘技术：为解决开炉初期煤气温度较低、湿度较大，在荒煤气管道末端设置放散管道，引至放散塔，开炉初期放散的煤气可以对荒煤气管道进行烘干，使煤气管道内的温度适当升高、湿度大为降低，避免布袋除尘器引煤气后出现糊布袋的情况。不单独设置荒煤气放散塔，将荒煤气放散塔和净煤气放散塔合并，采用共用放散塔，降低投资。
3）针对传统的蒸汽伴热方式热损失大、保温温度不可控、“跑、冒、滴、漏”等问题，开发了筒体智能恒温电伴热保温技术。自控电伴热线因本身就能感应管壁（介质）的温度而自调发热量，是一种节能措施。蒸汽伴热只能利用一部分热能，大量热能由高品位变为低品位，无法利用，白白损耗。经测算，电伴热与蒸汽伴热的耗能之比约为1：5。另外，由于自控电伴热可以有效地杜绝“跑、冒、滴、漏”现象，改善了企业生产环境。
5高炉粒煤喷吹技术
高炉粒煤喷吹技术的应用在英国、法国、美国有多年历史。2005年，山冶设计通过引进吸收、再创新的方式，成功研究开发的高炉粒煤喷吹技术在莱钢银山型钢1880m3高炉上使用，解决了粒煤喷吹技术难题，实现高炉粒煤喷吹国内首创。
目前，莱钢1880m3高炉是国内唯一采用高炉喷吹粒煤技术的钢铁厂，莱钢1880m3高炉从2005年开始喷吹粒煤，煤比达到170kg/t以上，高炉稳定顺行，至今已连续生产近16年，实践证明高炉喷吹粒煤技术是可行的。而且喷吹粒煤具有安全性高、投资运行费用低、煤种适应性广泛、节约能耗等优点，具有推广价值，喷吹粉煤的企业在控制煤粉粒度时也可以放宽粒度要求，节约生产成本。
与粉煤相比，喷吹粒煤技术具有如下优点：1）制粉喷吹系统安全可靠：由于粒煤与粉煤相比煤的颗粒大得多，粒煤单位体积的表面积比粉煤小，发生爆炸、起火等危险性大大降低，安全性提高。2）节约能源：粒煤制备的电耗只有粉煤制备电耗的25%左右；粒煤制备烟气入磨温度400℃，远高于粉煤制备的烟气入磨温度，因而干燥气用量小，煤气消耗也小；3）煤种适应范围广：粒煤喷吹原则上对任何煤都适用，企业可以根据煤的获得途径、价格、喷吹技术等因素选择喷吹煤；4）制粉工艺简便、投资省：制粉系统设备投资大幅节省，生产能力100t/h的制粉系统，粒煤的制粉设备投资只有粉煤的30%；5）经济效益明显：根据莱钢实际生产情况对喷吹粉煤和粒煤的经济性对比结果，表明喷吹粒煤比喷吹粉煤运行费用降低9.8元/吨。
6紧凑型铁钢界面
随着钢铁企业生产流程的不断发展，钢铁工业高效、优质、低耗的要求不断提高，以及“界面技术”在钢铁行业的普及流行，山冶设计作为全流程的冶金技术工程公司，具体准确分析不同工序间物质流、能量流及节能评价的优越性，以已完成工程业绩为研究对象，开展各生产工序间的衔接、匹配研究，以最大限度地降低炼铁、炼钢、连铸等工序间能量损失，实现钢铁制造过程物质流与能量流的整体优化为目标，创造性地开发了紧凑型铁钢界面技术。
截至目前，该技术已先后应用于山钢日照5100m3高炉项目、石横特钢2×1460m3高炉项目，该技术的使用真正实现铁钢“零”界面，具有占地少、投资省、低能耗、低成本以及生产组织灵活可靠、物流管理先进智能等显著优点。
同时，山冶设计开发的铁钢包智能调度技术实现了铁钢包智能组配与调运，为“一包到底”汽车运输技术的成功应用提供技术支撑。铁钢包智能调度技术融合了铁钢包计量、铁钢包识别与定位技术，建立了数据全面、计量准确、功能齐全、技术先进的铁水自动跟踪系统，为生产和调度人员提供铁水调度直观、全面的数据支持，最大限度地保证安全出铁、安全调运，提高铁水调度效率。
7 HIsmel t熔融还原技术
受国家钢铁工业可持续发展战略的影响，以及长流程炼铁工艺受到资源、环境因素的制约，结合当前产能严重过剩的情形，传统高炉流程的发展已到极限，作为以传统高炉炼铁为主的咨询技术公司，其业务发展必将受到影响，为实现公司可持续发展，适应市场发展需求，近几年山冶设计在非高炉炼铁技术的研究、创新方面做了大量的研究创新工作，并取得了丰硕的成果。
山冶设计作为国内最早跟踪HIsmel t熔融还原炼铁工艺的技术公司，曾于2005年为山钢莱芜分公司（前莱芜钢铁公司）引进HIsmel t熔融还原技术工艺做了规划研究，完成了莱钢HIsmel t熔融还原项目可行性研究报告，并指派专业团队赴澳大利亚奎纳纳HIsmel t工厂进行为期3个多月的跟踪学习。因此在HIsmel t熔融还原技术引进、优化方面积累了大量的经验，同时也培养了相关专业人员，为后期HIsmel t熔融还原技术在国内落地生根、顺利建成投产奠定了基础。
2012年，山冶设计作为当前全球唯一商业化的HIsmel t熔融还原铁工厂的咨询规划、设计单位，参与墨龙HIsmel t技术引进、消化、吸收、再创新全过程工作，并提出了很多合理可行意见和建议，为墨龙HIsmel t工厂稳定运行提供了技术保障。主要创新工作有：对SRV炉煤气系统的改进、SRV炉渣铁系统的布置、煤粉制备系统、矿粉预热系统、电动鼓风、燃气发电系统等工序进行了优化创新。
在墨龙HIsmel t项目建设过程中，全程参与设计技术服务，协助处理工程建设中的相关问题，同时参与项目调试、试运行工作，为HIsmel t熔融还原项目的顺利投产提供全过程、全方位的技术支持。
目前，公司专业技术人员已对HIsmel t技术有全面、深刻的认识，掌握现场操作实践中的第一手资料，同时针对HIsmel t技术存在的问题和不足，开展大量技术研究和探索，例如汽化烟道、煤气处理等技术，部分已形成完善的解决方案和改进措施，为今后建设更加完善的HIsmel t工厂奠定了基础。
HIsmel t技术作为当前真正的非焦冶金技术，受到国内外同行的高度关注，同时业内人士对HIsmel t技术在原燃料适应性、环保、节能以及生产高质量产品的优势给予了高度的认可，在“双碳”背景下，部分公司已开展HIsmel t工艺技术的研究、咨询工作，山冶设计已为多家公司提供项目前期咨询工作，重点企业有：陕钢汉钢、山钢集团、印尼富海、新兴铸管、天津江天重工、泰国伟成发、邢台钢铁等。
8结语
抓创新就是抓发展，谋创新就是谋未来。山冶设计建院以来，始终高度重视技术创新，深知技术创新是企业的生命线，拥有自主知识产权和核心技术，才能在激烈的竞争中立于不败之地。经过多年的积累，山冶设计已形成自身完善的技术创新管理体系，为企业始终保持创新活力，实现可持续发展奠定了坚实的基础。
顶燃式热风炉技术、高炉全干法除尘技术均为当前炼铁高炉的标配技术，在过去的十几年，为钢铁节能、降耗、减排作出了重要贡献。山冶设计开发的高炉高效综合长寿技术完全满足“高效、优质、低耗、长寿、环保”高炉十字方针，以新近投产的日照5100m3高炉和石横特钢高炉为例，实际操作指标均已处于行业领先水平。
山钢日照1#5100m3高炉于2017年12月19日点火开炉，投产两个月后即达到设计指标，目前高炉稳定顺行，各项生产技术指标逐步提升。2#100m3高炉于2019年4月11日点火开炉，开炉后燃料比在485kg/t左右。
石横特钢1#1460m3高炉于2020年12月12日点火开炉，2#1460m3高炉于2021年1月8日点火开炉，开炉后两座高炉生产效率和消耗指标均优于行业同级别高炉，目前2座高炉均稳定顺行，燃料比稳定在510-520kg/t，最高产量达到5800t/d，最高利用系数为3.97t/（m3d），风温最高达到1240℃，入炉焦比最低325kg/t，煤比最高175kg/t，最低燃料比500kg/t，顶压为245kPa，富氧率达到7%。
HIsmel t熔融还原技术作为山冶设计孕育的新型炼铁技术，已成为实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一，是典型非焦熔融还原炼铁工艺，经实践证明其具有工艺可行性。HIsmel t不仅具有流程短、操作简便、灵活，快速响应、产品质量好以及环保低耗等优势，而且有利于节约宝贵的冶金焦煤资源，减少环境污染和降低CO2排放量，有利于复合难选铁矿、钢铁厂粉尘和有色冶金含铁渣等含铁废弃物的综合利用，未来必将成为熔融还原炼铁工艺的发展方向，也是促进钢铁行业实现碳达峰、碳中和的低碳冶金工艺之一。
（于国华 贾利军 魏淑超）
