現(xiàn)代高爐長(zhǎng)壽技術(shù)的理論思考

目前，高爐煉鐵仍是生產(chǎn)效能最高的煉鐵工藝。在未來資源、能源、環(huán)境可承載的條件下，實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵的綠色化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展，必須建立新的發(fā)展理念。耗散結(jié)構(gòu)和自組織理論是研究復(fù)雜開放系統(tǒng)演變過程機(jī)理及其規(guī)律的新理論，對(duì)于指導(dǎo)高爐煉鐵協(xié)調(diào)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。本文闡述了系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)和自組織理論的核心觀點(diǎn)，提出了高爐煉鐵物質(zhì)流通量參數(shù)、能量流通量參數(shù)、熱流通量參數(shù)的概念及其物理意義。指出了未來高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展理念、目標(biāo)及方向，論述了運(yùn)用自組織理論，通過高爐爐體功能、結(jié)構(gòu)和效率的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高爐全壽命周期的動(dòng)態(tài)自組織優(yōu)化。提出并探討了構(gòu)建具有自組織特性的“自感知-自適應(yīng)-自保護(hù)-自維護(hù)”爐體結(jié)構(gòu)的方法及其路徑。

關(guān)鍵詞  耗散結(jié)構(gòu)  開放系統(tǒng)  自組織  高爐 長(zhǎng)壽 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1  引言

現(xiàn)代高爐煉鐵已有近200年的歷史，經(jīng)歷了多次重大的技術(shù)變革與創(chuàng)新，不斷演進(jìn)發(fā)展，漸趨至臻完善。當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)，高爐煉鐵工藝流程仍占有主導(dǎo)地位，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，高爐煉鐵工藝流程的主導(dǎo)地位將不會(huì)發(fā)生根本性變化，高爐仍然是鐵礦石還原和優(yōu)質(zhì)生鐵的主流生產(chǎn)裝置。進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國作為世界第一產(chǎn)鐵大國，高爐煉鐵技術(shù)進(jìn)步及其成就全球矚目，在高爐大型化、裝備現(xiàn)代化等方面取得重大進(jìn)展舉世公認(rèn)；高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)不斷提升，許多大型高爐都已進(jìn)入國際先進(jìn)行列[1]。應(yīng)當(dāng)看到，在高爐煉鐵技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，高爐壽命依然在不同程度上成為制約高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的短板，一些現(xiàn)代化大型高爐投產(chǎn)不久就出現(xiàn)了爐缸燒穿或銅冷卻壁大量損壞等嚴(yán)重事故，高爐安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅[2]。在研究解析高爐異常破損原因、采取有效措施延長(zhǎng)高爐壽命的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)建立起新的高爐長(zhǎng)壽技術(shù)理念、理論和方法，構(gòu)建自感知-自適應(yīng)-自維護(hù)-自修復(fù)的高爐長(zhǎng)壽技術(shù)理論體系，從根本上解決制約高爐壽命的關(guān)鍵技術(shù)難題，形成現(xiàn)代高爐長(zhǎng)壽關(guān)鍵共性技術(shù)，并在工程實(shí)踐中實(shí)施應(yīng)用，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步延長(zhǎng)高爐壽命，實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵綠色化、智能化多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展。

2  高爐煉鐵技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展理念

未來鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須充分研究市場(chǎng)需求、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和資源-能源-環(huán)境的承載能力，實(shí)現(xiàn)低碳綠色化發(fā)展[3]。對(duì)于具體的鋼鐵廠而言，要根據(jù)全廠的產(chǎn)量規(guī)模、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、總圖布局，以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流、能量流和信息流動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、高效耦合運(yùn)行為目標(biāo)，合理確定高爐的座數(shù)和高爐容積[4]。在鋼鐵行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整、淘汰落后、轉(zhuǎn)型升級(jí)的宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，不宜過分追求鋼鐵廠產(chǎn)能和產(chǎn)量，要轉(zhuǎn)變以粗放型產(chǎn)能規(guī)模擴(kuò)張的發(fā)展道路，堅(jiān)持走集約化、綠色化、智能化、品牌化的可持續(xù)發(fā)展之路。

高爐大型化和裝備現(xiàn)代化是中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要方向和路徑，必須堅(jiān)持鋼鐵廠流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化前提下的大型化，以實(shí)現(xiàn)鋼鐵制造流程的動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)、集約高效、耗散優(yōu)化為目標(biāo)。未來中國鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化，將以去產(chǎn)能、減量化發(fā)展為前提，淘汰落后、流程優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)升級(jí)勢(shì)在必行。因此在高爐設(shè)計(jì)建造過程中，應(yīng)當(dāng)以整個(gè)鋼鐵制造流程協(xié)同優(yōu)化的視角，站在鋼鐵廠生存發(fā)展的全局性戰(zhàn)略層次上，以構(gòu)建鋼鐵制造全流程要素-結(jié)構(gòu)-功能-效率協(xié)同優(yōu)化為關(guān)注點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、煉鋼、軋鋼以及全廠能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)注重流程網(wǎng)絡(luò)的耗散優(yōu)化、重構(gòu)優(yōu)化和時(shí)空關(guān)系，使物質(zhì)流、能量流和信息流實(shí)現(xiàn)高效耦合“層流式”運(yùn)行，提高運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量?？傮w看來，未來中國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，必須堅(jiān)持以去產(chǎn)能、減量化為基本方針，持續(xù)開展鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化升級(jí)，通過淘汰落后、技術(shù)改造和裝備升級(jí)，優(yōu)化鋼鐵制造流程及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建鋼鐵制造流程耗散優(yōu)化的自組織體系，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)-產(chǎn)品-質(zhì)量與資源-能源-環(huán)境的和諧有序發(fā)展。

3  高爐爐體的功能優(yōu)化

3.1  高爐煉鐵的物理本質(zhì)

高爐煉鐵是鐵氧化物（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦等）以焦炭（及煤粉）作為主要燃料和還原劑，在高爐內(nèi)經(jīng)過一系列的物理-化學(xué)反應(yīng)和冶金傳輸過程，生產(chǎn)出液態(tài)生鐵的冶金工藝過程，焦炭是高爐煉鐵工藝不可或缺的料柱骨架。其物理本質(zhì)是鐵素物質(zhì)流在碳素能量流的驅(qū)動(dòng)和作用下，按照設(shè)定的運(yùn)行程序，沿著特定的流程網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鐵素物質(zhì)流和碳素能量流在整個(gè)流程范圍內(nèi)流動(dòng)并轉(zhuǎn)變/轉(zhuǎn)換的過程。

高爐冶煉進(jìn)程是典型的豎爐逆流移動(dòng)床過程，下降爐料與上升煤氣流在相向運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)過一系列的物理-化學(xué)反應(yīng)與傳輸過程，完成鐵氧化物的還原和滲碳，最終形成液態(tài)生鐵。由此可見，高爐煉鐵區(qū)別于非高爐煉鐵的重要工藝特征，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是采用焦炭作為主要燃料、還原劑、滲碳劑和料柱骨架；二是其產(chǎn)品為液態(tài)生鐵。

3.2  高爐爐體的功能解析

3.2.1  冶金反應(yīng)器

對(duì)于高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程鋼鐵廠而言，高爐在整個(gè)鋼鐵制造流程中的作用至關(guān)重要，是全流程物質(zhì)流和能源流轉(zhuǎn)變/轉(zhuǎn)換的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。因此，高爐冶煉過程要求是連續(xù)-穩(wěn)定運(yùn)行，穩(wěn)定順行成為高爐操作的核心要素。

高爐冶煉過程的冶金傳輸過程及反應(yīng)和物質(zhì)流、能量流的轉(zhuǎn)變/轉(zhuǎn)換都是在高爐爐體內(nèi)完成的，高爐爐體是一個(gè)復(fù)雜的高溫、高壓、密閉冶金反應(yīng)器，高爐冶煉則是多元-多相（態(tài)）復(fù)雜巨系統(tǒng)，是復(fù)雜的、開放的、遠(yuǎn)離平衡的不可逆過程，是有大量物質(zhì)、能量和信息輸入/輸出的耗散結(jié)構(gòu)。高爐爐體的本質(zhì)功能，是保障高爐冶煉進(jìn)程連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的高效長(zhǎng)壽冶金反應(yīng)器，其生產(chǎn)效率和質(zhì)量要滿足鋼鐵廠對(duì)鐵水供應(yīng)的需求；其壽命周期要持續(xù)15~20年甚至更長(zhǎng)。

3.2.2  高爐爐體的流程結(jié)構(gòu)

經(jīng)過近200年的演進(jìn)，現(xiàn)代高爐已經(jīng)形成了爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸、死鐵層“六段式”的爐體結(jié)構(gòu)，爐體每個(gè)部位都有著不同的功能和作用。對(duì)于高爐冶煉過程而言，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行是其重要的工藝特征。正是在這樣一個(gè)特定的高溫、高壓、密閉的流程結(jié)構(gòu)中，大通量物質(zhì)流和能量流的輸入/輸出，并完成物質(zhì)流、能量流的轉(zhuǎn)變/轉(zhuǎn)換。下降爐料從爐喉到爐缸，物質(zhì)的形態(tài)、成分、溫度、性能等因子發(fā)生了巨大變化；焦炭（煤粉）在風(fēng)口前燃燒形成高爐煤氣，煤氣流與下降爐料逆行向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過爐缸、爐腹、爐腰、爐喉至爐頂，能量的形態(tài)、矢量、勢(shì)量等因子也發(fā)生了巨大變化?；诤纳⒔Y(jié)構(gòu)和冶金流程工程學(xué)理論，可以將高爐爐體視為一個(gè)物質(zhì)流和能量流做動(dòng)態(tài)-有序、協(xié)同-連續(xù)流動(dòng)的流程路徑（結(jié)構(gòu)），進(jìn)而言之，高爐爐體是高爐煉鐵工序中核心關(guān)鍵的流程結(jié)構(gòu)。在這個(gè)流程結(jié)構(gòu)中，既有鐵礦石、焦炭、煤粉、熱風(fēng)等物質(zhì)或能量的輸入，也有鐵水、爐渣、煤氣等物質(zhì)或能量的輸出。同時(shí)，在高爐冶煉過程中，伴隨著物質(zhì)和能量的輸入/輸出，信息也在不斷地輸入/輸出。從微觀尺度分析，高爐冶煉過程表現(xiàn)為質(zhì)量傳輸、熱量傳輸、動(dòng)量傳輸和一系列物理-化學(xué)冶金反應(yīng)工程的集成；從宏觀尺度分析，高爐冶煉過程表現(xiàn)為物質(zhì)流（特別是鐵素物質(zhì)流）、能量流（特別是碳素能量流）和信息流在高爐爐體特定的物理空間內(nèi)做動(dòng)態(tài)耦合運(yùn)行。

因此，高爐爐體作為高爐冶煉的核心流程結(jié)構(gòu)，從高爐生產(chǎn)運(yùn)行角度看，高爐爐體結(jié)構(gòu)直接影響高爐的穩(wěn)定、順行，進(jìn)而影響高爐生產(chǎn)的高效、優(yōu)質(zhì)、低耗和長(zhǎng)壽。從冶金流程工程學(xué)角度看，高爐爐體結(jié)構(gòu)則直接影響整個(gè)鋼鐵制造流程的物質(zhì)流、能量流和信息流動(dòng)態(tài)耦合運(yùn)行的效率和效果。由此可以推論，高爐長(zhǎng)壽不僅是高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行的重要基礎(chǔ)和前提，在整個(gè)鋼鐵制造流程的時(shí)空尺度上，高爐長(zhǎng)壽也是維持冶金流程長(zhǎng)期連續(xù)、協(xié)同穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。

3.3  高爐爐體的功能集成

組成高爐爐體的各個(gè)子系統(tǒng)（單元），其功能和作用也不盡相同。爐殼是保障高爐爐體具有一定強(qiáng)度和剛度且具有承壓密封功能的鋼結(jié)構(gòu)，其功能是固定爐體冷卻器，支撐爐頂設(shè)備、煤氣上升管，承受爐體附屬設(shè)備的荷載，因此爐殼是維持高爐爐體的基本結(jié)構(gòu)（骨架結(jié)構(gòu)）。冷卻對(duì)于現(xiàn)代高爐爐體長(zhǎng)壽至關(guān)重要，爐體冷卻結(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷演進(jìn)發(fā)展，目前現(xiàn)代高爐已形成了以冷卻壁為主流的爐體冷卻模式，特別是在爐腹至爐身下部高熱負(fù)荷區(qū)域采用銅冷卻壁，使高爐爐腹至爐身區(qū)域從厚壁結(jié)構(gòu)演進(jìn)為薄壁結(jié)構(gòu)，甚至演化為“無襯結(jié)構(gòu)”，從而減少甚至擺脫了對(duì)耐火材料的依賴。依靠銅冷卻壁的高效冷卻作用，以快速形成保護(hù)性渣皮作為“動(dòng)態(tài)自生爐襯”，為高爐長(zhǎng)壽奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)當(dāng)說通過冷卻壁材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，銅冷卻壁的研發(fā)和應(yīng)用，使高爐冷卻壁的功能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，爐體高熱負(fù)荷區(qū)的冷卻效率得到優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

毋庸置疑，銅冷卻壁的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高爐冷卻壁結(jié)構(gòu)-效率-功能的協(xié)同優(yōu)化。冷卻器的主要功能是為耐火材料內(nèi)襯提供有效的冷卻，降低耐火材料內(nèi)襯的熱應(yīng)力和熱面溫度，促進(jìn)在耐火材料內(nèi)襯熱面形成自生的、動(dòng)態(tài)的保護(hù)性渣皮（渣鐵殼），進(jìn)而延長(zhǎng)耐火材料內(nèi)襯的使用壽命。對(duì)于爐腹至爐身中下部區(qū)域，當(dāng)冷卻壁內(nèi)側(cè)的爐襯侵蝕消失以后或取消銅冷卻壁內(nèi)側(cè)爐襯結(jié)構(gòu)時(shí)，依靠冷卻壁的有效傳熱，能夠在冷卻壁熱面直接形成動(dòng)態(tài)性渣皮，即所謂“動(dòng)態(tài)自生爐襯”。與此同時(shí)，冷卻器還有保護(hù)爐殼、降低爐殼溫度，從而延長(zhǎng)爐殼使用壽命的作用。高爐內(nèi)襯是由耐火材料構(gòu)成的高爐冶金反應(yīng)器的磚襯砌體（局部也可以是不定型耐火材料），一般是由若干種異質(zhì)-異構(gòu)、功能不同的耐火材料所組成。隨著銅冷卻壁的廣泛應(yīng)用，爐腹至爐身區(qū)域普遍采用薄壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，爐襯厚度一般100~150mm，而且與冷卻壁鑲磚融為一體，成為磚壁一體化薄壁結(jié)構(gòu)。還有不少高爐開爐之前，僅在高爐爐腹至爐身區(qū)域的冷卻壁熱面噴涂一層厚度約100mm的不定型耐火材料保護(hù)層，取消了磚襯砌體和冷卻壁的鑲磚結(jié)構(gòu)。直至目前，高爐爐缸爐底耐火材料內(nèi)襯仍是不可或缺且無法替代的結(jié)構(gòu)，而且對(duì)爐缸爐底耐火材料內(nèi)襯的材質(zhì)、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)要求更加嚴(yán)格，具有導(dǎo)熱性、抗鐵水滲透性和抗鐵水熔蝕性優(yōu)異的炭磚則是必不可少的功能材料。

高爐爐缸是高爐冶煉過程的起始和終結(jié)，也是高爐冶煉進(jìn)程中冶金傳輸和物理-化學(xué)反應(yīng)最為集中的區(qū)域，是典型的多元-多相態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。爐缸爐底還是高溫液態(tài)渣鐵積聚的區(qū)域，爐缸爐底內(nèi)襯工作條件惡劣，承受著高溫?zé)釕?yīng)力、鐵水滲透、化學(xué)侵蝕、機(jī)械沖刷磨損等各類破壞作用。而高爐爐缸爐底的使用壽命決定著高爐一代爐役壽命，是延長(zhǎng)高爐壽命的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，延長(zhǎng)高爐壽命的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)就是要有效延長(zhǎng)高爐爐缸爐底的使用壽命。

4  耗散結(jié)構(gòu)與爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1  耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高爐爐體冷卻耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法和思維進(jìn)路應(yīng)當(dāng)是：①采用純水（或軟水）密閉循環(huán)冷卻技術(shù)；②參照高爐爐體熱流強(qiáng)度進(jìn)行傳熱學(xué)計(jì)算得出爐體總的最大熱流通量，再計(jì)算出冷卻水量、冷卻水溫差，進(jìn)而設(shè)定出進(jìn)水溫度與出水溫度；③根據(jù)冷卻水的換熱量，確定出冷卻水熱交換器的能力、型式和規(guī)格；④計(jì)算脫氣罐、膨脹罐、穩(wěn)壓罐等罐組的容量及結(jié)構(gòu)參數(shù)；⑤設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)工藝流程，初步確定供回水管網(wǎng)參數(shù)，計(jì)算管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力損失；⑥根據(jù)計(jì)算管網(wǎng)系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果，確定循環(huán)泵組的優(yōu)化配置（揚(yáng)程、臺(tái)數(shù)、工作制度及布置方式）；⑦設(shè)計(jì)系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流量、壓力、溫度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理，構(gòu)建信息流網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)具備智能化調(diào)控的功能；⑧評(píng)估冷卻系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注冷卻系統(tǒng)的安全性和可靠性，確定備用電源供電、配置事故差油泵、供回水管道安全供水可靠性分析評(píng)價(jià)等[7]。

4.2  爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高爐爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心關(guān)鍵，是要構(gòu)建具有自組織特性的“自感知-自適應(yīng)-自維護(hù)-自修復(fù)”的爐體長(zhǎng)壽結(jié)構(gòu)。高爐的結(jié)構(gòu)特性和連續(xù)運(yùn)行的工藝特征，使高爐爐體結(jié)構(gòu)必須長(zhǎng)期適應(yīng)高爐冶煉過程的各種影響和破壞，具備抵抗惡性事故的可靠性、安全性和耐久性。遵循自組織理論，高爐爐體的功能拓展與功能集成是現(xiàn)代高爐區(qū)別于傳統(tǒng)高爐的重要之處，現(xiàn)代高爐的多功能化和功能集成體現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)具備優(yōu)質(zhì)鐵水生產(chǎn)、高效能源轉(zhuǎn)換和消納廢棄物并實(shí)現(xiàn)資源化的功能。因此，功能優(yōu)化是現(xiàn)代高爐煉鐵發(fā)展理念的重要?jiǎng)?chuàng)新。毋庸置疑，高爐爐體是實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽、安全”多目標(biāo)優(yōu)化的載體。

為適應(yīng)高爐功能優(yōu)化，爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)以全壽命周期的時(shí)間尺度，從高爐的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)各個(gè)階段都必須給予足夠的重視。高爐爐體靜態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化重點(diǎn)是高爐設(shè)計(jì)和建造，尤其是高爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)乎到高爐的全壽命周期。高爐爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是構(gòu)建高效協(xié)同的高爐爐體自組織體系，應(yīng)當(dāng)建立耗散結(jié)構(gòu)自組織體系優(yōu)化的理念，遵循冶金學(xué)、傳熱學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，采用概念設(shè)計(jì)-頂層設(shè)計(jì)-動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)-仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過綜合-權(quán)衡-選擇-評(píng)估-決策的過程，以高爐全壽命周期和高爐爐體整體結(jié)構(gòu)為關(guān)注點(diǎn)，注重頂層設(shè)計(jì)，通過空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)爐體綜合功能的協(xié)同優(yōu)化。

爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路和方法是：①以物質(zhì)流和能量流通量參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合理的高爐內(nèi)型，為高爐穩(wěn)定順行和高效長(zhǎng)壽奠定基礎(chǔ)；②高爐爐體結(jié)構(gòu)的選擇與確定；③高效冷卻器參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；④爐缸爐底的冷卻和耐火材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；⑤采用傳熱學(xué)和材料力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算方法評(píng)估驗(yàn)證冷卻器與爐缸爐底內(nèi)襯的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等；⑥高爐爐殼傳熱學(xué)和彈塑性力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算、材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.3  高爐運(yùn)行與維護(hù)的自組織

高爐建造過程中，必須以工程設(shè)計(jì)為依據(jù)，科學(xué)組織、統(tǒng)籌管理，兼顧質(zhì)量、進(jìn)度、成本等要素，精細(xì)施工、精益管理，不宜片面追求工期進(jìn)度或降低成本，應(yīng)以質(zhì)量為核心實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。無數(shù)的案例證實(shí)，高爐施工建造過程的質(zhì)量問題和安全隱患，是造成高爐短壽、出現(xiàn)惡性事故的直接原因，損失慘重、教訓(xùn)深刻，必須加強(qiáng)工程建造管理，提高施工水平，保證高爐一代爐役期間生產(chǎn)安全穩(wěn)定。

高爐長(zhǎng)壽的實(shí)質(zhì)就是保持高爐一代爐役期間的合理操作爐型[8]。高爐投產(chǎn)以后，根據(jù)高爐爐型的演變進(jìn)程可以劃分為操作爐型形成期、操作爐型穩(wěn)定期和操作爐型維護(hù)期三個(gè)階段。高爐生產(chǎn)中，要通過精料、爐料分布控制、煤氣流分布控制、爐體冷卻與熱負(fù)荷管理、渣鐵流動(dòng)控制等措施，保持高爐全壽命周期的合理操作爐型。高爐生產(chǎn)操作的調(diào)控，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)高爐冶煉過程的“他組織”，是物質(zhì)、能量和信息的輸入過程。高爐冷卻系統(tǒng)的調(diào)控、含鈦物料的加入等措施則主要是為了維護(hù)高爐爐體長(zhǎng)壽，在高爐運(yùn)行的狀態(tài)下，通過高爐系統(tǒng)的自組織特性和自組織體系，促進(jìn)形成動(dòng)態(tài)的、自生的“保護(hù)性渣皮”，即所謂“自生爐襯”，通過自生爐襯的動(dòng)態(tài)生成-漲落，實(shí)現(xiàn)高爐爐體具有自組織功能的自維護(hù)和自修復(fù)，從而延長(zhǎng)高爐壽命[9]。

未來高爐智能化的一個(gè)重要特征是要建立起自感知-自適應(yīng)-自維護(hù)-自修復(fù)的爐體結(jié)構(gòu)，在自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高爐爐體溫度、壓力、流量、應(yīng)力/應(yīng)變的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和大數(shù)據(jù)分析處理，形成基于高爐冶煉-爐體長(zhǎng)壽耦合的信息流管控體系，精準(zhǔn)操作、精準(zhǔn)護(hù)爐，實(shí)現(xiàn)與鐵素物質(zhì)流、碳素能量流和集成信息流高效耦合運(yùn)行的協(xié)同管理。

5  結(jié)語

（1）高爐煉鐵要實(shí)現(xiàn)綠色化、智能化發(fā)展，必須建立新的技術(shù)發(fā)展理念，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求。在資源、能源和環(huán)境可承載的前提下，加大供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能和工藝裝備，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（2）運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)自組織理論，構(gòu)建高爐煉鐵動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同連續(xù)和耗散優(yōu)化的流程體系，創(chuàng)新具有“自感知-自適應(yīng)-自維護(hù)-自修復(fù)”功能的長(zhǎng)壽爐體結(jié)構(gòu)，積極采用高爐長(zhǎng)壽創(chuàng)新理念、理論和方法，以高爐一代爐役全壽命周期為視角，注重高爐的概念設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，促進(jìn)物質(zhì)流、能量流和信息流流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)高效耦合運(yùn)行。

（3）高爐運(yùn)行過程中，通過大數(shù)據(jù)、信息流的智能化管理，提高精準(zhǔn)化智能操作水平，動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)和調(diào)控爐體運(yùn)行狀態(tài)，增強(qiáng)高爐爐體的自組織性和自組織功能，保障高爐冶煉穩(wěn)定順行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵高效、優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽、安全多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。